1. Prote´nen

Prote´nen 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 prote´nen 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 essentiŰle 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 Ún met zuren. Het aminozuur is een amfolyt.
Als het aminozuur per molecuul 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 structuur van Lysine op en leg uit welke pH een oplossing van Lysine ongeveer 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.
Dat kan een aminogroep zijn van een ander aminozuurmolecuul, maar soms ook de aminogroep van hetzelfde aminozuurmolecuul. In dat laatste geval is er dus sprake van interne proton-overdracht.
Aan ÚÚn kant is dat molecuul dan --COO- geworden en aan de andere kant ---NH3+. Eenzelfde molecuul heeft dan 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 in een omgeving met pH = 2?
en met pH = 10?
Leg je antwoord uit.


Condensatie en Hidrolyse

Behalve in zuur-base reacties kunnen de aminozuren ook prima meedoen aan een ander reactietype: Condensatie. Daarbij wordt de aminogroep van het ene molecuul gekoppeld aan de OH-groep van een ander molecuul, onder afsplitsing van een watermolecuul. Op deze manier worden twee aminozuren aan elkaar gekoppeld d.m.v. een "peptidebinding".

Opdracht 8
Zoek de structuren op van Valine en Alanine en laat zien hoe deze op twee verschillende manieren in een condensatiereactie aan elkaar kunnen koppelen, waarbij dipeptiden ontstaan.


1.2 De vorming van Prote´nen

In scheikundige termen zeggen we: de prote´nen worden gevormd in een "policondensatieproces", waarbij de aminozuren de "monomeren" zijn.

Je mag prote´nen (die we in het nederlands ook vaak eiwitten noemen) beschouwen als een co-polimerisatieproduct 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 be´nvloedt.




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 polipeptiden vormen.

Een eiwit (prote´ne) kan bestaan uit 50 tot 2000 aan elkaar gekoppelde aminozuren en de molecuulmassa varieert van 5.000 tot 20.000


Een paar oefeningen ter herinnering:
Opdracht 9
  1. Welke zijn de essentiŰle aminozuren?
  2. Waarom worden ze zo genoemd?

Optische isomerie

In de natuur heb je maar ÚÚn 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 structuren 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 structuren (met en zonder ladingen)
Antwoord

Hieronder zie je de structuur van penicilline (twee keer).

Let op de belangrijke functionele 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 polimerisatie.     V/F
  2. De vorming van eiwitten onder controle van DNA is een polihidrolyse.      .V/F

Er bestaat een aminozuur (CysteÝne) dat een ander soort binding kan maken, namelijk een zwavelbrug (S-S).
Als een heleboel aminozuren een polipeptide maken, dan zal de lange keten zich gaan opvouwen / oprollen tot bepaalde structuren.
In de eerste plaats vormt zich een zgn. Helix, een schroefstructuur, die we de secundaire structuur van eiwitten noemen.
De primaire structuur is eenvoudigweg de volgorde van de aminozuren.
De Helix kan - op zijn beurt - zich weer opvouwen tot een driedimensionale structuur, die we dan de tertiaire eiwitstructuur noemen. (zie figuur)


Opdracht 12
Kijk goed naar de afbeelding en probeer de secundaire en de tertiaire structuur te zien / aan te wijzen Ún 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 structuur van de eiwitten

De volgorde van aminozuren in de polipeptiden, in de prote´nen, noemen we dus de primaire structuur. Het is de lineaire volgorde van de aminozuren.
Deze volgorde is buitengewoon belangrijk voor het functioneren van dat eiwit. Meestal zal het vervangen van ÚÚn aminozuur genoeg zijn om de activiteit van het eiwit in het organisme flink te veranderen, misschien wel met zeer negatieve gevolgen.


figuur: albumine, De volgorde van de aminozuren en de plaatsen van de zwavelbruggen.


Een eiwitmolecuul kan samengesteld worden uit ÚÚn of meerdere polipeptiden.

Voorbeeld:
Het albumine (hoofdbestanddeel van eiwit van een ei) heeft ÚÚn enkele opgerolde polipeptidestructuur,. Insuline echter, het hormoon dat in de pancreas wordt gemaakt en het gehalde aan glucose in het bloed controleert, wordt samengesteld uit twee polipeptidestructuren. (zie figuur):

Opdracht 13
Stel je een eiwitstructuur voor met 1000 monomeren van het aminozuur Valine (zie tabellenboek).
Bereken de molecuulmassa.
Antwoord

Het aminozuur Proline dat ergens opduikt in een polipeptideketen 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 anemie (iets wat ontbreekt) en wordt veroorzaakt doordat ÚÚn bepaald aminozuur ergens in de polipeptideketen van hemoglobine vervangen is door iets anders. (zie ook figuur) Het juiste aminozuur ontbreekt.

De primaire structuur van de prote´nen

is eenvoudigweg de volgorde van de aminozuren. (die is bij cikkelcelanemie dus niet goed).

De secundaire structuur van de prote´nen

De polipeptideketens krullen zich op volgens een soort schroefdraad; we spreken ook wel van een "helix". Dat noemen we de secundaire structuur van het eiwit.

Tertiaire structuur van prote´nen

Een lange polipeptideketen die al een helix gevormd heeft, dan nog steeds zo lang zijn dat die helix zich gaat opvouwen op een driedimensionale manier: de tertiaire structuur.

Quaternaire structuur van prote´nen


De zeer grote eiwitmoleculen zijn samengesteld uit meerdere tertiaire bollen: quaternaire structuur.

Voorbeeld:
In het geval van hemoglobine van het bloed worden vier polipeptideketens, die elk al een tertiaire structuur hadden gevormd, samengevoegd tot ÚÚn groot geheel: de quaternaire structuur.

De krachten die de vorming van secundaire en tertiaire structuren mogelijk maken zijn:
  1. Waterstofbruggen
  2. vanderWaals krachten
  3. dipolaire krachten
  4. Zwavelbruggen (CisteÝne)

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 structuur?


Opdracht 15
Waar of onwaar?
  1. Prote´nen zijn polimeren;
  2. Prote´nen hebben een primaire structuur, dat is de volgorde van de aminozuren;
  3. Een secundaire structuur verbindt diverse primaire structuren met elkaar;
  4. De tertiaire structuur is de helixschroefstructuur;
  5. De secundaire en tertiaire structuur danken hun stabiliteit aan waterstof- en zwavel-bruggen/bindingen;
  6. Prote´nen kunnen gedenatureerd worden (reversibel of irreversibel), wat betekent dat ze volledig worden kapotgemaakt met alcohol, met zuur of door verwarming;
  7. De primaire structuur gaat bij denatureren niet kapot. Dat kan alleen in een chemisch proces (hidrolyse aminozuren)
  8. Er bestaan "structuurprote´nen" (zoals albumine) en enzymprote´nen (zoals oxidase)


Even ter herinnering: de Indeling van de prote´nen

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 prote´nen - zijn veel ronder van vorm, dus lengte en breedte verschillen niet veel. Voorbeelden: enzymen, antilichamen, membraanprote´nen, hemoglobine, chlorofyl, en meer.
Deze indeling heeft direct te maken met de twee belangrijkste functies van prote´nen:
  1. vorming van weefsel (spieren, huid, been, colageen, enz.)
  2. katalyse (controle van de reacties, transmissie van zenuwimpulsen, immuunbescherming)

De studie over prote´nen vormt de basis voor het begrijpen van de genetica.
In het laboratorium zal t.b.v. zulke studies in elk geval nodig zijn: zuivering en scheiding van prote´nen met technieken zoals chromatografie en elektroforese.

Letten we op de molecuulsamenstelling van de eiwitten, kun je de prote´nen indelen in: eenvoudig en complex.
  1. Eenvoudige prote´nen of homoprote´nen: - 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 heteroprote´nen: - zijn gekoppeld met niet-eiwitstructuren, zoals de prostetische groepen.

Opdracht 16
Hoe klassificeren we de prote´nen van vlees? (tot welk soort prote´nen behoren zij?)

Voorbeelden van groep B:
  1. Chlorofyl, waarvan de prostetische groep Mg is
  2. Hemoglobine waarvan Heem met Fe de prostetische groep is
  3. kaseÝne (in melk), waarvan de prostetische groep fosfaat is
  4. kerneiwitten: - voornamelijk in de ribosomen en waarvan de prostetische groep een ribonucleÝnezuur is (RNA) of (DNA)
  5. glycoprote´nen, waarvan de prostetische groep een saccharide is; lipoprote´nen met lipiden als prostetische groep
N.B.
  1. Complexe prote´nen worden ingedeeld naar hun prostetische groep.
  2. Als de prostetische groep een bepaalde kleur heeft, wordt ook wel gesproken van chromoprote´nen.


Wat betreft hun fundamentele functie worden de prote´nen ingedeeld in structuureiwitten en enzymen:
  1. Struktuureiwitten:
    behoren bij de celstructuur en zijn daar "bouwstoffen"
  2. Enzymeiwitten:
    controleren praktisch alle chemische reacties 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 eindproduct 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 tegelijk ook voor de afbraak van afgewerkt aminozuur.
Het afvalproduct ureum verlaat het lichaam via de urine.





terug naar start