1.2.1 Monosachariden en disachariden Polysachariden Glycosaminoglycanen Complexe suikers van de celmembraan 10

1

Biomoleculen Samenvatting Hoofdstuk 1 bespreekt de structuur en functie van de belangrijkste biomoleculen. Eerst bekijken we de koolhydraten (suikers), die brandstof zijn in het energiemetabolisme maar ook uitblinken als structuurgevende moleculen. De tweede groep zijn de lipiden (vetten), die met hun apolaire groepen grenzen vormen in een ‘levende waterwereld’ (biologische membranen). Vetten vormen met triglyceriden ook een uitmuntende vorm van strategische brandstof. De derde groep biomoleculen bestaat uit proteïnen (eiwitten), die opgebouwd zijn als een ketting van twintig soorten aminozuren. Proteïnen staan centraal in het uitvoeren van metabole functies: we denken hierbij aan de vele enzymen die chemische reacties katalyseren en vele hormonen die regelaars zijn van het metabolisme. De vierde groep biomoleculen bestaat uit informatiedragende nucleïnezuren RNA (ribonucleïnezuur) en DNA (desoxyribonucleïnezuur). DNA bevat de erfelijke informatie die de eiwitten coderen om een mens te laten functioneren; RNA is de vanuit DNA afgeschreven informatie die een interface maakt tussen DNA en eiwitten.

1.1

Inleiding – 3

1.2

Koolhydraten (suikers) – 3

1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4

Monosachariden en disachariden – 4 Polysachariden – 7 Glycosaminoglycanen – 9 Complexe suikers van de celmembraan – 10

1.3

Lipiden (vetten) – 11

1.3.1 1.3.2 1.3.3

Vetzuren maken esterbindingen – 13 Glycolipiden – 15 Overige lipiden – 19

1.4

Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten) – 20

1.4.1 1.4.2 1.4.3

Polaire en apolaire zijketens – 21 Peptidebinding – 22 Primaire eiwitstuctuur en structuurhomologie – 23

1

1.5

Basen, nucleotiden en nucleïnezuren – 29

1.5.1

Dubbele helixstructuur – 31

1.6

Enzymen zijn de katalysatoren van het metabolisme – 34

1.7

Classificatie van enzymen – 37 Literatuur – 39

1.2̓t̓,PPMIZESBUFO TVJLFST

1.1

3

Inleiding

Metabolisme of stofwisseling is de verzamelnaam voor alle chemische reacties die het leven nodig heeft om zichzelf in stand te houden, te groeien, zich als soort te verdedigen en nakomelingen te produceren. In dit hoofdstuk zullen we dieper ingaan op dit begrip en de eerste globale schets van het metabolisme maken. In de tien hoofdstukken die daarop volgen, werken we onderdelen van deze schets verder uit. Het laatste hoofdstuk (7 H. 12) integreert de onderdelen weer tot één geheel. In het eerste hoofdstuk van dit boek zullen we de biochemische basis bekijken die nodig is voor het begrijpen van alle andere hoofdstukken. We zullen beginnen met het bespreken van de belangrijke soorten biomoleculen die betrokken zijn in het metabolisme, zowel in het uitvoeren als het regelen van dit proces. De eerste groep bestaat uit de suikers (koolhydraten), die niet alleen een sleutelrol spelen in het energiemetabolisme maar ook uitblinken in de natuur als structuurgevende moleculen. Ten tweede wordt de structuur van vetten kort samengevat. Hier treedt het verschil op de voorgrond tussen polaire en apolaire groepen in de intermoleculaire interacties in een ‘waterwereld’. Dit gegeven bepaalt de vorming van biologische membranen, die het leven afbakenen in microscopisch kleine compartimenten. Vervolgens bekijken we de eiwitten, polymeren die zijn opgebouwd uit twintig verschillende soorten aminozuren en betrokken zijn bij ongeveer alles wat in levende materie gebeurt. We bekijken hierbij de (evolutionair bepaalde) gelijkenissen tussen leden van eiwitfamilies (paralogen) en de gelijkenissen tussen hetzelfde type eiwit in verschillende diersoorten (orthologen). Ten vierde bekijken we de nucleïnezuren en nucleotiden, die onder meer cruciaal zijn als informatiedragende moleculen. Het laatste deel van dit hoofdstuk geeft een korte inleiding over enzymen. Het gaat hier om zeer krachtige maar ook reactiespecifieke en regelbare katalysatoren, die absoluut noodzakelijk zijn om de reacties van het metabolisme met de gewenste snelheid te laten verlopen. Leerdoelen 5 structuur en functie van de grote groepen biomoleculen kunnen plaatsen; 5 het verschil tussen orthologe en paraloge verwantschap tussen eiwitten begrijpen; 5 inzicht hebben in het principe van de katalytische werking van enzymen.

Studeeraanwijzing Voorkennis van elementaire scheikunde, natuurkunde, biologie en wiskunde is noodzakelijk. Met deze voorkennis wordt de tijdsbesteding aan de kernleerstof van dit hoofdstuk geschat op 8 uur.

1.2

Koolhydraten (suikers)

De eerste belangrijke groep biomoleculen is die van de suikers (koolhydraten). . Tabel 1.1 geeft een overzicht van een aantal belangrijke suikers. Men onderscheidt monosachariden (enkelvoudige suikers) van di-, oligo- en polysachariden (meervoudige suikers). De belangrijkste monosachariden, met zes koolstofatomen (hexosen), zijn glucose, fructose, mannose en galactose; deze spelen een bijzondere rol als metabolieten, dit zijn stoffen die deelnemen aan reacties in metabole paden. Twee monosachariden met vijf koolstofatomen zijn ribose en desoxyribose: deze suikers maken deel uit van nucleïnezuren. De kleinste monosachariden met drie koolstofatomen zijn glyceraldehyde en dihydroxyaceton. Samen vertegenwoordigen koolhydraten het grootste deel van de biomassa op aarde, dit vooral vanwege cellulose en chitine.

1

4

1

Hoofdstuk 1 t̓#JPNPMFDVMFO

. Tabel 1.1

De belangrijkste koolhydraten.

Soort

Functie(s)

Monosachariden glyceraldehyde en dihydroxyaceton

metabolisme (als fosfaatderivaten)

ribose, desoxyribose

bouwstenen van RNA, DNA en nucleotiden

glucose, galactose, fructose

belangrijke brandstoffen voor het metabolisme

disachariden sucrose, lactose

voedingsstoffen (tafelsuiker, melksuiker)

maltose

splitsingsproduct van zetmeel

Oligosachariden eenheden (residuen) van o.a. mannose, fucose, siaalzuur, glucuronzuur, N-acetylgalactose, N-acetylglucosamine zijn gebonden aan bepaalde serine-, threonine- of asparaginezijketens van eiwitten (glycoproteïnen) of aan ceramide (glycolipiden);

talrijke functies

Polysachariden glycogeen/zetmeel

glucosepolymeer (reserve in dieren/planten)

cellulose/chitine

celwand (planten)/exoskelet (insecten/schaaldieren)

glycosaminoglycanen (heparine, chondroïtinesulfaat, kerataansulfaat, dermataansulfaat, hyaluronzuur – onderdeel van proteoglycanen)

talrijke functies in extracellulaire matrix

Belangrijke functies van koolhydraten zijn onder meer: 5 Metabool: enkelvoudige suikers, disachariden, glycogeen en zetmeel zijn bijzonder belangrijk voor het energiemetabolisme, zoals besproken wordt in de hoofdstukken 2 tot en met 6. 5 Structureel: zeer grote koolhydraten vormen vezelachtige structuren die planten, insecten en schaaldieren een skelet geven. Ribose en desoxyribose zijn structuurgevende elementen van de ruggengraat van RNA en DNA. Glycosaminoglycanen zijn geladen suikerpolymeren die zeer veel water binden en vorm geven aan de intercellulaire matrix. 5 Cel-celinteracties: een nog maar ten dele begrepen functie wordt waargenomen door vertakte oligosachariden die deel uitmaken van membraanglycoproteïnen en -glycolipiden. De koolhydraten van deze moleculen zijn verantwoordelijk voor onder andere cel-celinteracties. 5 Diverse functies, zoals het bepalen van de levensduur van een in het bloed circulerend eiwit, de eiwitadressering, het voorkomen van bloedstolling en het moleculair ‘smeren’ van gewrichten, worden ook waargenomen door complexe suikers.

1.2.1

Monosachariden en disachariden

De naam koolhydraten is afgeleid van de vereenvoudigde stoichiometrie (CH2O)n van deze moleculen, die te verklaren is door het feit dat koolhydraten bij benadering op elk koolstofatoom één alcoholgroep en één H-atoom dragen. Dit is echter een te simpele voorstelling van de structuur.


5

. Figuur 1.1 Fischer-projectie van monosachariden. Linksboven: glyceraldehyde heeft één chiraal centrum (blauw C-atoom) waarvan twee ruimtelijke spiegelbeelden bestaan. Links onder: Fischer-projectie van deze spiegelbeelden. Rechts: de aldohexosen D-glucose, D-mannose en D-galactose hebben de absolute ruimtelijke formatie van D-glyceraldehyde ter hoogte van het vijfde koolstofatoom. Deze suikers bezitten drie extra chirale groepen (C2, C3 en C4). D-mannose is de C2-epimeer D-glucose en D-galactose de C4-epimeer. In het midden een foto van Emil Fischer, de wetenschapper die de chirale centra van suikers ontdekte.

. Figuur 1.2 Haworth-projectie van glucose, galactose en mannose. Links staat de herschikking van de openketenstructuur van D-glucose tot een zesring, met nadruk op de hemi-acetaalbinding. Hierdoor wordt C1 een nieuw chiraal centrum en bestaan alfa- en bèta-anomeren van D-glucose. Daarnaast het ruimtevullende (Van der Waals) en stoelmodel van bèta-D-glucose. De foto toont Norman Haworth die de ringstructuur van suikers en vitamine C bedacht. Rechts de Haworth-projectie van de bèta-anomeren van D-galactose en Dmannose. De blauwe pijltjes wijzen op de bèta-configuratie van de OH-groep.

Zoals te zien is in de Fischer-projectie, genoemd naar de chemicus Emil Fischer (. figuur 1.1), is de structuur van suikers inderdaad veel ingewikkelder door ruimtelijke centra van asymmetrie die ontstaan wanneer vier verschillende groepen aan een koolstofatoom vastzitten. Bovendien kan het eerste koolstofatoom zijn aldehydegroep herschikken tot een alcoholgroep en een covalente binding aangaan met de zuurstof van de voorlaatste OH-groep (. figuur 1.2). Hierdoor ontstaan een hemi-acetaalbinding en een pyraanachtige zesring, het D-glucopyranose. De nieuwe C1-structuur is een bijkomend chiraal (asymmetrisch) centrum geworden, waarvan twee ruimtelijke isomeren bestaan, het zogeheten alfa- en bèta-anomeer. Deze structuren zijn ruimtelijk voorgesteld in de Haworth-projectie, genoemd naar de Britse pionier die voor het eerst een theorie ontwikkelde over de ringvormige structuren van suikers (. figuur 1.2).

1

6


1

. Figuur 1.3 D-fructose. Deze ketohexose vormt vooral vijfringen (furanose), waarbij weer alfa- en bètaanomeren bestaan.

. Figuur 1.4 Disachariden worden gekenmerkt door de aard van de suikerbouwstenen en het type glycosidebinding. In sucrose zijn de twee anomerische C-atomen betrokken. Maltose bezit een alfa-1,4-glycosidebinding, terwijl lactose een bèta-1,4-glycosidebinding vertoont.

Haworth voorspelde ook dat D-fructose, een ketohexose, via hetzelfde principe twee op furaan lijkende vijfringen kan vormen: alfa- en bèta-fructofuranose (. figuur 1.3). Ten slotte leverde het werk van Haworth de basis voor de glycosidebinding (. figuur 1.4). Dit is een chemische binding tussen twee OH-groepen van een furanose en pyranose (zoals in sucrose), of van een pyranose met een andere pyranose (zoals in lactose). Via hetzelfde principe kunnen met extra glycosidebindingen meer suikers covalent worden vastgehecht. Zo ontstaan oligo- en polysachariden.


7

Pioniers Fischer en Haworth Emil Fischer en Norman Haworth hebben beiden baanbrekend onderzoek gedaan in het domein van de structuur van suikers en werden voor hun bijdragen bekroond met de Nobelprijs voor Chemie (Fischer in 1902 en Haworth in 1937). Fischer bouwde op eerder pionierswerk van Louis Pasteur (de ontdekker van stereochemie) en was de eerste die de stereochemie van suikers bestudeerde. De ruimtelijke structuur is relevant, want het metabolisme ‘aanvaardt’ alleen D-glucose, om de eenvoudige reden dat L-glucose niet in cellen kan worden opgenomen. Dit betekent dat de eiwitkanaaltjes die glucose voor het transport door de celmembraan als substraat herkennen (7 par. 3.3.1), alleen de D-enantiomeer doorlaten. Fischer was ook de eerste die de structuur van purinen bepaalde en hij had ook interesse voor aminozuren. Haworth heeft een grote bijdrage geleverd aan het begrijpen van de driedimensionale structuur van suikers; dit bleek belangrijk om in te zien hoe oligo- en polysachariden in elkaar zitten. Vooral het doorgronden van de alfa- en bèta-glycosidebindingen tussen de ringvormige suikerresiduen was belangrijk. Ook dit heeft praktische relevantie want, in tegenstelling tot de alfa-glycosidebindingen van zetmeel, kunnen de bèta-glycosidebindingen van cellulose niet verteerd worden door onze spijsverteringsenzymen. Haworth bepaalde ook de structuur van vitamine C. De persoonlijke achtergrond van beide wetenschappers is het vermelden waard. Fischers vader was industrieel en vond zijn zoon ‘te dom voor de zakenwereld’, dus moest hij maar scheikunde gaan studeren (Bonn, 1871, later Straatsburg en München). Haworth daarentegen, moest op zijn veertiende van school om zijn vader te helpen met de zaak (linoleum vloerbedekking). Door eigen inzet en wilskracht vond Haworth zelf de weg naar de universiteit, waar hij als twintigjarige begon en al snel een uitblinker bleek te zijn. De invloed van beide onderzoekers is merkbaar in alle leerboeken over suikers of suikermetabolieten, omdat de wijze waarop de suikerstructuur is afgebeeld, evenals het onderscheid tussen structuurisomeren, het resultaat is van hun speurwerk.

1.2.2

Polysachariden

De structuurgevende polysachariden cellulose en chitine hebben een zeer gelijksoortige opbouw (. figuur 1.5), met bèta-1,4-glycosidebindingen tussen de bouwstenen en extra verstevigende H-bruggen. Cellulose is veruit het meest voorkomende biomolecuul op aarde, met een biomassa van vele triljoenen tonnen en een jaarlijkse productie/afbraak van meer dan 1015 kilogram. De mens is echter (net als de termiet) zeer hongerig naar cellulose, want het is het hoofdbestanddeel van hout. Papier is een vrij zuivere vorm van cellulose, die wordt gezuiverd uit houtpulp. Cellulose vormt een belangrijke component van de celwand van vele plantaardige cellen en geeft deze cellen hun mechanische stevigheid. De vezels van het polysacharide worden stevig bijeengehouden door hemicellulose, een complex mengsel van andere structuurpolysachariden, dat optreedt als een soort moleculair cement. Chitine (. figuur 1.5) is de structuurpolysacharide van het exoskelet van insecten en schaaldieren. In deze laatste diergroep is het polysacharide op bepaalde posities sterk gemineraliseerd. Een vergelijking is hier te maken met sommige typen collageenvezels in gewervelde dieren, die in botten gemineraliseerd worden met calcium. Na cellulose is chitine het meest voorkomende biomolecuul op aarde.

1

8


1

. Figuur 1.5 Gelijkenis tussen cellulose en chitine. Deze twee structuurgevende polysachariden zijn opgebouwd uit bèta-1,4-glycosidebindingen. De stijfheid van de vezelige polymeer is te danken aan H-bruggen tussen de 3’-OH groep en de ringzuurstof. Het verschil tussen beide moleculen is dat de 2’-OH-groep van cellulose is vervangen door de N-acetylgroep in chitine. De bouwsteen is daarom N-acetylglucosamine.

. Figuur 1.6 Amylopectine van zetmeel is net als glycogeen (7 H. 6) een vertakte structuur die is opgebouwd uit alfa-D-glucopyranose-eenheden. Let op de aard van de bindingen, die totaal anders is dan in cellulose.

Levende wezens, van bacterie tot mens, gebruiken homopolymeren van D-glucose ook als opslagplaats voor energie. Deze reserve wordt opgebouwd in tijden van metabole overvloed en weer afgebroken op momenten van schaarste aan directe brandstoffen. Bacteriën gebruiken voor dit doel dextranen, planten zetmeel en dieren glycogeen. De dextranen zijn voor de mens belangrijk omdat ze een bestanddeel vormen van de tandplaque. Zetmeel komt voor als grote korrels in het cytoplasma van plantaardige cellen, in het bijzonder in graankorrels en knollen. Het polysacharide bestaat – net als cellulose – uitsluitend uit D-glucose, maar dit polymeer heeft een zeer verschillende ruimtelijke structuur. Zetmeel bevat moleculair twee componenten: het vertakte amylopectine en het onvertakte amylose. Amylose is een lineair polymeer met uitsluitend alfa-1,4-bindingen tussen de glucoseresiduen. Ruimtelijk vormt de keten een losse helix, de amylosehelix. In amylopectine worden glucoseketens gevormd via alfa-1,4-bindingen en vertakkingen via alfa-1,6-bindingen (. figuur 1.6). De lengte van en het aantal takken per molecuul zetmeel varieert tussen verschillende soorten planten. De helicale structuur van de ketens en de vertakkingen zorgt ervoor dat amylopectine bolvormig is.


9

. Figuur 1.7 Structuur van twee glycosaminoglycanen. Let op de repeterende disachariden (waarin aminosuikers) en op de negatieve ladingen van de bouwstenen. In hyaluronzuur is de negatieve lading te danken aan de carboxylgroepen van glucuronzuur. In heparine zijn drie repeats getoond: de suikers zijn veresterd met negatief geladen sulfaatgroepen (–SO3– gesymboliseerd als gele S in een paarse bol).

De mens bezit spijsverteringsenzymen (speekselamylase en pancreatisch amylase) om de alfa-1,4-glycosidebindingen van zetmeel te hydrolyseren. Hierdoor ontstaat onder andere maltose (. figuur 1.4), dat verder afgebroken wordt tot D-glucose. De mens bezit echter geen enzymen om de bèta-1,4-bindingen van cellulose door hydrolyse te verbreken. Hierdoor wordt cellulose in de dunnedarmholte niet verteerd, maar komt het als onverteerbare ‘vezels’ in de dikke darm terecht. Daar zullen micro-organismen een deel van de vezels fermenteren tot korteketenvetzuren. Zo vormen ze een waardevolle brandstof voor menselijke cellen van het colonslijmvlies: een symbiose tussen microben en menselijke cellen. Een voldoende hoeveelheid onverteerbare vezels in het voedsel vergemakkelijkt bovendien de passage van de inhoud van de dikke darm. Bepaalde eencelligen (protozoa en bacteriën) en zwammen (fungi) kunnen cellulose wel hydrolyseren, omdat ze cellulase bezitten. Dergelijke protozoa en bacteriën leven in symbiose in de darmtractus van termieten (Tokuda & Watanabe, 2007). In grasetende herkauwers leven symbiotische bacteriën in de gespecialiseerde maag (Wang et al., 2009). Dierlijk glycogeen (7 par. 6.2) is een vertakte glucosepolymeer, die lijkt op amylopectine.

1.2.3

Glycosaminoglycanen

Bij de mens spelen proteoglycanen een belangrijke rol in de intercellulaire matrix, waar ze zorgen voor hydratatie, structuur, cel-cel-signalling en regeling van groei en differentiatie. Deze stoffen bestaan voor 95% uit suikers en voor 5% uit eiwit, zijn sterk negatief geladen, binden daardoor veel water en kationen en vormen de basis van de extracellulaire matrix. Het suikergedeelte (glycosaminoglycaan) bestaat uit repeterende disachariden, waaronder minstens één aminosuiker (. figuur 1.7). Deze suikers zijn negatief geladen door een carboxylgroep of door sulfatering van een amino- of alcoholgroep. De ladingen zorgen voor binding van watermantels en de interactie met positieve ladingen van andere macromoleculen. Voorbeelden van dergelijke glycosaminoglycanen zijn hyaluronzuur, heparine, heparaansulfaat, chondroïtinesulfaat en kerataansulfaat.

1

10


1

. Figuur 1.8 O-gebonden (links) en N-gebonden (rechts) oligosachariden op respectievelijk een serine/threonine- en een asparagineresidu van de glycoproteïne. De suikerbouwstenen zitten met specifieke glycosidebindingen aan elkaar. GalNAc = N-acetylgalactosamine; GlcNAc = N-acetylglucosamine.

Hyaluronzuur is een polymeer van glucuronzuur en N-acetylglucosamine (. figuur 1.7). Het komt als vrij polysacharide veel voor in de synoviale vloeistof (gewrichten), in het glasachtig lichaam van het oog en in de geleiachtige structuur in de navelstreng. Het verhoogt door de langgerekte vorm de viscositeit van deze vochten en smeert de gewrichten. Bovendien vormt hyaluronzuur een onderdeel van een gigantisch proteoglycaan in kraakbeen. Heparine is een belangrijk glycosaminoglycaan in verband met de bloedcirculatie. Het polysacharide is aanwezig in de suikerrijke bekleding van de endotheelcellen, die de bloedvatwanden vormen. Heparine bindt sterk aan een eiwit van de bloedbaan, het antitrombine III. Het complex tussen beide macromoleculen voorkomt de bloedstolling omdat het de geactiveerde trombine verhindert om in te werken op fibrinogeen. Op deze wijze zal de bloedstolling in principe alleen starten op plaatsen waar de vaatwand beschadigd is, bijvoorbeeld na een verwonding. Vanwege deze werking wordt heparine in de geneeskunde veel gebruikt als antistollingsmiddel.

1.2.4

Complexe suikers van de celmembraan

In de celmembraan van dierlijke cellen bevinden zich vaak complexe suikers die een nog onvolledig opgehelderde rol spelen in de biologie en pathologie van cellen. De suikers zitten aan de buitenkant van de membraan in de vorm van vertakte oligosachariden, die covalent verbonden zijn met serine-/threonine- of asparaginezijketens van glycoproteïnen. De eerste groep (links in . figuur 1.8) zijn de O-gebonden oligosachariden; deze zitten ook vast aan het ceramidegedeelte van glycolipiden. De tweede groep zijn de N-gebonden oligosachariden. Het aantal verschillende oligosachariden is enorm en dit heeft twee redenen: a. een vrij groot aantal chemische bouwstenen (. figuur 1.8 toont er slechts een deel van); b. elk suikerresidu kan op verschillende manieren (alfa- en bèta-; 1→2, 1→3, 1→4, 1→6) aan een ander suikerresidu vastzitten. De chemische ‘informatica’ van de complexe oligosachariden is dan ook moeilijker te achterhalen dan de beter begrepen informatica van eiwitten en nucleïnezuren.

1.3̓t̓-JQJEFO WFUUFO

11

. Figuur 1.9 Water (H2O) interageert sterk met zichzelf (A), met natriumionen (B) of met polaire stoffen, zoals D-glucose (C). Dit is te verklaren door dipool-dipoolinteracties en waterstofbruggen. Watermoleculen omhullen daardoor een ion door elektrostatische aantrekking met de dipolen (solvatie van ionen). Het polaire glucose heeft talrijke mogelijkheden voor het aangaan van waterstofbruggen met watermoleculen. In (D) is een hydrofoob effect van apolaire vetzuren te zien. Links: twee vetzuurmoleculen, die elk zwak interageren met watermoleculen (veel zwakker dan watermoleculen onderling doen). Rechts: door de vetzuurmoleculen bijeen te drijven, komen er watermoleculen bij (in blauwe kaders) die sterk met andere watermoleculen interageren. Het bijeendrijven van vetzuren en het scheiden van water en vet is dus een exergonisch proces dat spontaan optreedt. Tussen de vetzuurstaarten bestaat door zeer dichte toenadering tot de molecuuloppervlakte wederzijdse vanderwaalse aantrekkingskracht.

1.3

Lipiden (vetten)

Anders dan suikers zijn lipiden (vetten), die overwegend uit koolstof en waterstof zijn opgebouwd en daarom apolaire groepen bevatten. Ondanks grote verschillen in chemische structuur, worden de lipiden onder één noemer geplaatst, dankzij sterke niet-covalente interacties tussen moleculen die aanwezig zijn in de ‘waterige wereld’ van levende materie (. figuur 1.9). Vet- of olieachtige substanties hebben inderdaad als eigenschap dat ze ‘waterafstotend’ zijn. Water, het hoofdbestanddeel van cellen en van de lichaamsvloeistoffen, kan sterke elektrostatische krachten (polaire bindingen, waterstofbruggen) aangaan met zichzelf en met andere polaire groepen, bijvoorbeeld de alcoholgroepen van een suiker (. figuur 1.9c). Deze niet-covalente interacties ontbreken echter bijna volledig tussen water en vetten (. figuur 1.9d). Vandaar dat water veel liever met zichzelf interageert dan met de vetmoleculen, die spontaan in een exergonisch proces (er komt meer energie vrij dan nodig is) worden ‘weggedreven’ van de watermoleculen en ‘bijeengedreven’ tot een vetdruppel. Dit noemt men het hydrofobe (‘watervrezende’) effect van

1

12


1

. Figuur 1.10 Vetzuren bestaan uit een koolwaterstofstaart en een carboxylgroep die kan ioniseren of veresteren met een alcohol. Boven: ruimtelijk vanderwaalsmodel van een C14-verzadigd vetzuur en een C18-onverzadigd vetzuur. De dubbele binding is cis en veroorzaakt een ‘knik’ in het verloop van de koolwaterstofstaart.

vetten (. figuur 1.9d). Een tweede bijdrage tot het hydrofobe effect is toename van entropie: aan het contactoppervlak tussen watermoleculen en vetzuurmoleculen, de zogenoemde ‘kooien’, zijn de watermoleculen namelijk sterk geordend. Bij het bijeendrijven van vetzuurmoleculen neemt het aantal van deze kooien af en daarmee ook het aantal sterk geordende watermoleculen. Lipiden zijn dus slecht oplosbaar in water, maar goed oplosbaar in apolaire organische solventen, zoals benzeen, ether of chloroform. Deze hydrofobiciteit is het gevolg van de koolwaterstofstructuur die in vetten overheerst. De zwakke interacties tussen de vetzuurstaarten bestaan uit wederzijds aantrekkende vanderwaalskrachten, die alleen betekenis hebben bij zeer dichte toenadering tot de oppervlakte van de moleculen. In . figuur 1.10 worden twee vetzuren vergeleken. Het molecuul links heeft een verzadigde koolwaterstofstaart die uitsluitend bestaat uit enkelvoudige bindingen tussen C-atomen. Het molecuul rechts is oleaat, een C18-mono-onverzadigd vetzuur met één cis-dubbele binding tussen C8 en C9. Het vanderwaalsmodel laat duidelijk zien dat de koolwaterstofstaart in het verzadigd verzuur ‘rechtdoor’ gaat, terwijl de onverzadigde koolwaterstofstaart een ‘knik’ maakt (. figuur 1.10). Dit heeft invloed op de mogelijkheid van toenadering tussen vetzuren (. figuur 1.11). Pioniers Van der Waals Het vanderwaalsmodel van molecuulstructuren, dat vaak wordt gebruikt voor de precieze contouren van biomoleculen, is genoemd naar de Nederlandse geleerde Johannes Diderik van der Waals (1837-1923). Hij won in 1910 de Nobelprijs voor Fysica voor zijn baanbrekende onderzoek aan de Universiteit van Amsterdam. Van der Waals onderzocht de beweging van moleculen in gassen en vloeistoffen en was een van de grondleggers van de thermodynamica.

Verzadigde vetzuren kunnen elkaar ter hoogte van de koolwaterstofstaarten dicht benaderen (vanderwaalsstralen die H-atomen net niet raken). Deze mogelijkheid tot toenadering van twee oppervlakten is echter sterk verminderd als er cis-dubbele bindingen aanwezig zijn. Er is dus minder energie nodig om onverzadigde vetzuren ten opzichte van elkaar te laten bewegen dan verzadigde. Dit feit komt duidelijk tot uiting in het smeltpunt van vetzuren (. tabel 1.2). Deze tabel toont duidelijk dat het smeltpunt toeneemt met stijgende ketenlengte (meer vanderwaals contactoppervlak) en daalt bij het introduceren van cis-dubbele bindingen. In de

13


. Figuur 1.11 Het vanderwaals contactoppervlak tussen de koolwaterstofstaarten van verzadigde vetzuren is veel groter dan tussen een verzadigd en een onverzadigd vetzuur met een cis-dubbele binding. Daarom veroorzaken deze cis-dubbele bindingen een verlaging van het smeltpunt van vetzuren.

. Tabel 1.2

Enkele belangrijke vetzuren.

Structuur (geïoniseerd)

Lengte

Systematische naam

Smeltpunt (°C)

CH3(CH2)12COO–

C14

tetradecanoaat (myristaat)

54

CH3(CH2)14COO–

C16

hexadecanoaat (palmitaat)

63

CH3(CH2)16COO–

C18

octadecanoaat (stearaat)

70

CH3(CH2)18COO–

C20

eicosanoaat (arachidaat)

77

COO–

C22

docosanoaat (behenaat)

82

C16

cis-9-hexadecanoaat (palmitoleaat)

0

C18

cis-9-octadecanoaat (oleaat)

16

C18

cis,cis-9,12-octadecadiënaat*

5

C18

all-cis-9,12,15-octadecatriënaat**

–11

C20

all-cis-5,8,11,14-eicosatetraenaat***

–50

Verzadigde vetzuren

CH3(CH2)20

Onverzadigde vetzuren CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COO– CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7

COO–

CH3(CH2)4(CH=CHCH2)2(CH2)6 CH3CH2(CH=CHCH2)3(CH2)6

COO–

COO–

CH3(CH2)4(CH=CHCH2)4(CH2)2

COO–

* = linoleaat; ** = linolenaat; *** = arachidonaat

keuken kennen we dit feit door het gegeven dat dierlijke vetten (veel verzadigde vetzuren) in de koelkast hard zijn (boter), terwijl plantaardige oliën (veel onverzadigde vetzuren, waaronder meervoudig onverzadigde) bij dezelfde temperatuur vloeibaar blijven. In de hoofdstukken 7 en 11 zal worden teruggekomen op de betekenis van specifieke vetzuren in het metabolisme en in de voeding. Onverzadigde vetzuren hebben dus een lager smeltpunt en zijn vloeibaarder dan verzadigde vetzuren. Dit heeft belangrijke gevolgen voor de fluïditeit van biologische membranen. Om dit uit te leggen, moeten we eerst stilstaan bij de chemische opbouw van een lipidendubbellaag.

1.3.1

Vetzuren maken esterbindingen

Vetzuren kunnen via een esterbinding met hun carboxylgroep covalent verbonden worden met een alcoholgroep. Wanneer drie vetzuren veresterd zijn met glycerol, ontstaat een triacylglycerol of triglyceride (. figuur 1.12). De gemiddelde volwassen en goed gevoede mens draagt ongeveer

1

14


1

. Figuur 1.12 Een triacylglycerol (triglyceride) ontstaat door het maken van drie esterbindingen (rood) tussen de carboxylgroepen van drie vetzuren en de drie alcoholgroepen van glycerol.

. Tabel 1.3 Vetsamenstelling (massa%) van enkele lipidenmembranen. Membraanlipide

Celmembraan rode bloedcel

Myelineschede Schwann-cel

Binnenste mitochondriale membraan

fosfatidylcholine

19

10

38

fosfatidylethanolamine

18

20

27

fosfatidylserine

8

8

1

fosfatidylinositol

1

1

7

sfingomyeline

18

9

0

glycolipiden

10

26

0

cholesterol

25

26

3

andere lipiden

1

1

24*

* Vooral cardiolipine (7 par. 5.5).

10 tot 15 kilogram van deze stof met zich mee; dit is de strategische brandstofvoorraad van het lichaam die opgeslagen ligt in de vetcellen (7 par. 7.2.6 en 7 par. 12.8.2). Een flink deel van de membraanlipiden in menselijke en dierlijke cellen bestaat uit esters tussen een glycerolafgeleide en twee vetzuren (. tabel 1.3). Deze zogeheten glycerolipiden kunnen worden onderverdeeld op basis van verschillen in de polaire kop en de aard van de veresterde vetzuren. Een in de natuur veelvoorkomend voorbeeld is fosfatidylcholine (. figuur 1.13 Andere glycerolipiden zijn fosfatidylethanolamine, fosfatidylserine en fosfatidylinositol. Omdat de polaire kop steeds een fosfaatester bevat, spreekt men ook wel van fosfolipiden. De polaire kop bestaat uit een geladen fosfocholinegroep, die heel duidelijk gescheiden is van de apolaire vetzuurstaarten. Een variant op dit thema is aanwezig in sfingomyeline, waarbij glycerol en een van de vetzuuresters zijn vervangen door de aminoalcohol sfingosine (. figuur 1.14). Hierdoor ontstaan de zogeheten sfingolipiden. In zowel het voorbeeld van de glycero- als van de sfingolipiden ontstaat een amfifatisch molecuul met een apolaire en een polaire kant (symbool =O), dat bijzonder geschikt is om in


15

. Figuur 1.13 Fosfatidylcholine, een membraanglycerolipide, ontstaat door dat de derde esterbinding met glycerol niet met een vetzuur gebeurt, maar met een geladen fosfocholinegroep. Hierdoor ontstaat een amfifatisch molecuul met een polaire en een apolaire kant.

. Figuur 1.14 Sfingomyeline ontstaat door verestering van de aminoalcohol sfingosine met één vetzuur en het geladen fosfocholine. De structuur lijkt op die van fosfatidylcholine.

twee dimensies te ‘stapelen’ tot een één molecuul dikke laag. Wanneer twee van zulke lagen op elkaar worden gezet met de apolaire oppervlakte naar elkaar toe, ontstaat de lipidendubbellaag die de basisstructuur is van een biologische membraan (. figuur 1.15).

1.3.2

Glycolipiden

Sommige sfingolipiden dragen geen fosfaat, maar wel een suikergroep als polaire kop: dergelijke stoffen heten daarom glycolipiden. De eenvoudigste glycolipiden zijn de cerebrosiden: deze bevatten glucose of galactose als monosacharide. Gangliosiden zijn complexer en dragen op sfingosine vertakte oligosachariden die bestaan uit tot zeven suikers van diverse soorten, zoals N-acetylgalactosamine, galactose, siaalzuur en fucose (. figuur 1.16). Het is opvallend dat deze glycolipiden uitsluitend in de buitenste laag van de celmembraan (plasmamembraan) voorkomen, waarbij de suikers in de extracellulaire ruimte steken en de polaire interacties met de waterfase enorm vergroten. Cellen hebben als het ware aan hun oppervlakte een suikerlaag, die nog verder vergroot wordt door de N- en O-gebonden suikers op membraanglycoproteïnen (. figuur 1.8) De functie van al deze suikers wordt nog onvolledig begrepen, maar er zijn argumenten voor een rol in weefselherkenning en cel-celinteracties. Ook het immuunsysteem

1

16


1

. Figuur 1.15 Lipidendubbellagen vormen de basis van biologische membranen. De essentie is dat de amfifatische moleculen zo ‘gestapeld’ worden dat de polaire koppen naar de beide oppervlakten van de dubbellaag wijzen die in contact zijn met water. De apolaire koolwaterstofstaarten worden door het ‘hydrofobe’ effect bijeengedreven in de diepte van de dubbellaag en interageren alleen met elkaar. Links: een doorsnede van een dubbellaag met membraanlipiden met verzadigde vetzuren, die elkaar dichter kunnen naderen en daarom ‘stijver’ zijn dan een dubbellaag met membraanlipiden met tevens onverzadigde vetzuren (cis-dubbele bindingen rechts).

. Figuur 1.16 ABO-bloedgroepen zijn variante oligosachariden op gangliosiden in de buitenste halflaag van de celmembraan. De aan sfingosine verbonden suikers zijn: 1 = N-acetylgalactosamine; 2 = galactose; 3 = siaalzuur; 4 = fucose. Inzet: foto van Carl Landsteiner, die het fenomeen van bloedgroepen voor het eerst waarnam en daarmee het eerste moleculaire polymorfisme van de mens had ontdekt.

enerzijds en ziektekiemen (virussen, bacteriën) anderzijds herkennen specifiek sommige van deze suikergroepen. > Belangrijk is het besef dat er weefselspecifieke variatie bestaat in het gebruik van deze suikers en dat mensen onderling kunnen verschillen in de aard van de suikers aan de oppervlakte van hun cellen. Een voorbeeld van dat laatste zijn de A-, B- en O-bloedgroepen (. figuur 1.16).


17

Pioniers Landsteiner Het ABO-systeem vertoont, zoals de meeste lezers ongetwijfeld weten, verschillen tussen mensen en een oorzaak van de incompatibiliteit van het bloed tussen bepaalde donoren en ontvangers. Dit laatste wordt veroorzaakt door het immuunsysteem van de ontvanger, die antigene structuren die niet ‘eigen’ zijn, als lichaamsvreemd herkent en hiertegen antistoffen gaat vormen. De Oostenrijker Carl Landsteiner ontdekte dit fenomeen in 1901; een wetenschappelijke mijlpaal omdat dit het begin was van de moleculaire evidentie voor het bestaan van interindividuele variatie (polymorfisme). Deze ontdekking had ook praktische implicaties, omdat op grond hiervan met een eenvoudige test naar bloedgroepen voor de transfusie kon worden gezocht, met als doel om transfusiereacties te voorkomen (Storry & Olsson, 2009). De moleculaire verschillen tussen de O-, A- en B-antigenen worden veroorzaakt door drie allelen van hetzelfde suikertransferasegen, dat codeert voor een enzym dat een laatste suikerbouwsteen moet plaatsen op de gangliosidestructuur. Bij mensen die O-antigeen maken, is dit enzym niet werkzaam, zodat de vijfde suikerbouwsteen ontbreekt (. figuur 1.16). Bij mensen die A-antigeen maken, werkt het enzym als een N-acetylgalactosamine-transferase, terwijl bij mensen die het B-antigeen maken, hetzelfde enzym galactose plaatst in plaats van N-acetylgalactosamine. Dit gegeven, plus het feit dat wij twee allelen erven van onze ouders, verklaart de erfelijkheid van het ABO-bloedgroepensysteem. A en B zijn dominant tegenover O (één werkzaam allel kan de antigene structuur lichaamseigen maken) en codominant tegenover elkaar, wat resulteert in bloedgroep AB. Landsteiner kreeg voor zijn ontdekking van de ABO-bloedgroepen in 1930 de Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie. Hij verliet Wenen na de Eerste Wereldoorlog, om uiteindelijk te gaan werken aan de Rockefeller University in New York. Een anekdote in dit verhaal is dat hij tussen 1918 en 1922 een productieve wetenschappelijke periode heeft gekend in een niet-academisch ziekenhuis in Nederland: het Sint Joannes de Deo Ziekenhuis in Den Haag. Landsteiner ontdekte later ook de resusfactor, een andere bloedgroep en oorzaak van de incompatibiliteit van rode bloedcellen tussen moeder en foetus. Op dit moment zijn er 29 menselijke bloedgroepensystemen bekend (Hosoi, 2008). De Duve De gangliosiden worden samen met andere componenten van verouderde stukken celmembraan in de cel opgenomen en in de lysosomen verteerd tot vrije suikers, vetzuren en sfingosine). Lysosomen zijn intracellulaire organellen die zeer veel hydrolasen bevatten en niet alleen membranen, maar ook andere macromoleculen afbreken. Deze organellen werden rond 1950 ontdekt door Christian De Duve (1974 Nobelprijs voor Geneeskunde/ Fysiologie). Een groot deel van dit baanbrekend onderzoek van De Duve speelde zich af aan de Katholieke Universiteit Leuven, die in 1968 werd gesplitst in een Nederlandstalige en een Franstalige zusteruniversiteit (De Duve ging werken aan de Université Catholique de Louvain). Net als Landsteiner werd De Duve hoogleraar aan de Rockefeller University in New York. De Duve ontdekte in 1965 ook de peroxisomen. Zijn proefschrift (1945) had als titel ‘Glucose, insuline et diabète’.

1

18


1

. Figuur 1.17 Cholesterol is naast glycerolipiden en sfingolipiden een ander membraanlipide. Dit molecuul bevat een –OH-groep op de eerste koolstofring, die in biologische membranen vrij voorkomt als alcohol.

Cholesterol wijkt qua structuur sterk af van de glycero- en sfingolipiden. In plaats van langgerekte flexibele vetzuurstaarten en een polaire (geladen) kop, is cholesterol een compact molecuul met de vier stijve ringen die alle in de stoelconfiguratie verkeren. Deze structuur wordt de sterolkern genoemd. De enige polaire structuur van dit molecuul is een OH-groep (cholesterol is dus een alcohol), terwijl de vijfring een vertakte koolwaterstofketen draagt (. figuur 1.17). Meer over de cholesterolstructuur en de synthese van dit molecuul in dierlijke cellen is te vinden in 7 par. 7.3. Cholesterol komt alleen in het dierenrijk voor en wordt in grote hoeveelheden ingebouwd in de plasmamembranen (. tabel 1.3). Wanneer de vrije alcoholgroep covalent verbonden wordt met een vetzuur, spreekt men van cholesterolesters: deze moleculen komen niet voor in de membraan, maar in lipidendruppels binnen of buiten de cellen. Cholesterol is tevens de biochemische voorloper van steroïdhormonen, zoals cortisol, aldosteron, oestrogenen, progesteron en testosteron (7 par. 8.5.2). Toepassing Stapelingsziekten van gangliosiden De medische context van het metabolisme van gangliosiden wordt geïllustreerd door het bestaan van een groep erfelijk bepaalde ziekten, waarbij telkens één specifiek enzym ontbreekt dat de gangliosiden in de lysosomen moet afbreken, zodat deze moleculen (of een half afgebroken derivaat ervan) zich opstapelen in de lysosomen van de cel. Uiteindelijk zal de cel door dit defect zelf kunnen sterven. Deze ziekten worden samen de gangliosidosen genoemd. Zij zijn een goed voorbeeld van stapelingsziekten. Aangezien de gangliosiden bijzonder veel voorkomen in de membranen van cellen van het zenuwstelsel (zie bijvoorbeeld de myelineschede in . tabel 1.3), zijn veel van de symptomen te verklaren door een pathologisch proces in het centraal zenuwstelsel (Boomkamp & Butters, 2008). Meer hierover is te vinden in 7 H. 8.

Een functionele membraan bevat bovendien een hele batterij membraaneiwitten die kunnen optreden als receptor, transportkanaal, signaaltransducer of structuurvormend element. Onderscheiden worden de integrale membraaneiwitten, die stevig in de lipidenlaag verankerd zitten doordat een hydrofoob gedeelte van het eiwit direct in contact staat met de vetzuurstaarten (of door covalente binding van het eiwit aan een lipide), en de perifere membraaneiwitten, die losser aan de membraan gebonden zijn, meestal door niet-covalente interacties met een


19

. Figuur 1.18 Vloeibaar mozaïek, waarin de integrale membraaneiwitten (1) ‘ronddobberen’ in een fluïde lipidendubbellaag. Perifere eiwitten (2) binden aan deze integrale eiwitten via niet-covalente interacties. Suikergroepen op eiwitten (3) of op glycolipiden (4) maken de extracellulaire halflaag van de plasmamembraan zeer polair.

integraal eiwit (. figuur 1.18). Doordat de lipiden met hun onverzadigde vetzuurketens ‘vloeibaar’ zijn, ontstaat een fluïde systeem waarin de integrale membraaneiwitten ‘ronddobberen’ in de lipidenzee (. figuur 1.18). Dit vloeibare mozaïekmodel (Singer & Nicolson, 1972) kan tegenwoordig worden onderzocht met lichtmicroscopische technieken met nanometerresolutie (Gonda et al., 2010). Sommige membraaneiwitten worden echter op bepaalde plaatsen in de cel verankerd door interactie met elementen van het cytoskelet.

1.3.3

Overige lipiden

Er bestaan – buiten hetgeen hiervoor werd behandeld – nog andere interessante lipiden. Een voorbeeld is het cardiolipine (difosfatidylglycerol); dit lipide komt rijkelijk voor in de binnenste mitochondriale membraan en is daar medeverantwoordelijk voor het ontstaan van eiwitsupercomplexen (7 par. 5.5). Een ander voorbeeld zijn de plasmalogenen, door peroxisomen geproduceerde lipiden waarin een vetzuur-glycerol-esterbinding is vervangen door een alcohol-glycerolether. Deze stoffen hebben mogelijk cytoprotectieve eigenschappen, vooral in membranen van neuronen, met name door te beschermen tegen het effect van zeer lange vetzuurketens (Brites et al., 2009). Een tekort aan plasmalogenen kan bijdragen tot de pathologie van peroxisoomziekten, zoals het Zellweger-syndroom en X-gebonden adrenoleukodystrofie. Een ander intrigerend lipide, N-arachidonyl-fosfatidyl-ethanolamine (NAPE), is een van de endocannabinoïden, stoffen die wij mensen zelf maken en die op dezelfde receptoren gaan binden als het actieve bestanddeel van cannabis (7 par. 8.2). Deze stof wordt tijdens de maaltijden door de darm aangemaakt en blijkt een factor te zijn die als verzadigingssignaal door het bloed naar de hersenen reist om daar het hongergevoel te doen afnemen (Gillum et al., 2008).

1

20


1

. Figuur 1.19 Stereo-isomerie van aminozuren door het chirale centrale koolstofatoom (blauw) maakt dat er L- en D-aminozuren bestaan. De twintig aminozuren voor eiwitsynthese verschillen in de chemische structuur van de zijketen (R), maar uitsluitend L-aminozuren worden in menselijke eiwitten ingebouwd. De enige uitzondering is glycine, omdat dit aminozuur geen chiraal centrum heeft. Proline is afwijkend ten aanzien van de basisstructuur links, omdat de zijketen covalent reageert met de alfa-aminogroep en een vijfring creëert.

Ten slotte zijn er de eicosanoïden, vetzuurafgeleiden (7 par. 8.2), en de vetoplosbare vitaminen (7 par. 11.7.15).

1.4

Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten)

De derde grote familie van biomoleculen bestaat uit peptiden. Dit zijn korte tot zeer lange onvertakte ketens van aminozuren, waarvan er zo’n twintig soorten nodig zijn om de peptiden van menselijke cellen te maken. Deze peptiden omvatten korte kettingen (oligopeptiden), of lange (polypeptiden). De kettingen met meer dan honderd aminozuurschakels (residuen) noemt men eiwitten of proteïnen. Er bestaat een enorme variatie in proteïnestructuur en -functie en er is geen proces in een levende cel te bedenken, of bepaalde eiwitten spelen er een rol in. Voor dit boek is het essentieel om te weten dat bijna alle enzymen proteïnen zijn. Verder zijn er honderden eiwitten die de werking van deze enzymen controleren en nog eens vele honderden andere eiwitten die betrokken zijn bij de aanmaak of afbraak van deze eiwitten. Peptiden kunnen bijzonder sterk verschillen in het aantal aminozuurbouwstenen. Oligopeptiden hebben maar enkele residuen. Een voorbeeld is het door Roger Guillemin ontdekte thyreotropin-releasing hormone (TRH), een tripeptide dat de hersenen maken om de schildklier te stimuleren (Guillemin, 2005). Een ander uiterste, met ruim tienduizend residuen, is titine, een reusachtig eiwit in skelet- en hartspier, dat de sarcomeren elastisch maakt (Granzier & Labeit, 2004). Opvallend is dat voor de miljarden andere functionele peptiden op aarde die samen in alle bekende levensvormen worden gebruikt, dezelfde twintig soorten bouwstenen aanwezig zijn. Het repertoire van deze twintig universele bouwstenen is onveranderd gebleven gedurende ruim één miljard jaar van evolutie. Een nuance in deze uitspraak is het seleniumafgeleide selenocysteïne, de 21ste bouwsteen, die in een vrij klein aantal peptiden in beperkte mate wordt gebruikt (7 par. 11.7.9). Deze universele bouwstenen worden aminozuren genoemd, vanwege hun typische structuur (. figuur 1.19), waarin een aminogroep en een carboxylgroep samen met een waterstofatoom en een variabele zijketen (R) verbonden zijn met het centrale koolstofatoom. Meestal is dit een asymmetrisch of chiraal centrum, met daardoor twee ruimtelijke conformaties (enantiomeren) , die elkaars spiegelbeeld zijn. De natuur heeft lang geleden ‘gekozen’ voor eiwitten die opgebouwd zijn uit L-aminozuren. Als wij dus eiwitten opeten in ons voedsel, nemen we L-aminozuren op die we weer verwerken in nieuwe eiwitten.

1.4̓t̓"NJOP[VSFO QFQUJEFOFOQSPUFÕOFO FJXJUUFO

21

. Figuur 1.20 Apolaire (links) en polaire (rechts) aminozuurzijketens. Glycine (slechts een H-atoom) en het apolaire proline (iminoring) zijn in . figuur 1.19 getoond. De linkergroep bestaat overwegend uit koolstof en waterstof en draagt geen ladingen. De rechtergroep heeft heel wat polaire groepen of is zelfs positief of negatief geladen.

1.4.1

Polaire en apolaire zijketens

De zijketens vormen dus het variabele gedeelte van de aminozuren en bevatten chemische informatie die specifiek is en bijzonder belangrijk voor de eiwitfunctie. Een eiwit is immers een ketting van deze aminozuren. We kunnen de vergelijking maken tussen de twintig aminozuren en de letters van ons alfabet die, wanneer we daar kettingen mee maken, zinnen kunnen vormen die betekenisvol zijn. Het is dus belangrijk om naar de structuur van de zijketens te kijken. Twee buitenbeentjes werden al in . figuur 1.19 besproken: glycine heeft slechts een H-atoom en proline, zit met zijn zijketen tweemaal covalent vast aan het centrum zodat een ring ontstaat. De andere achttien aminozuurzijketens kunnen worden ingedeeld op basis van hun polariteit en volume. Ongeveer de helft heeft hydrofobe zijketens (. figuur 1.20 links) en de andere helft is polair tot zelfs permanent geladen (. figuur 1.20 rechts). Het verschil tussen hydrofobe en polaire groepen werd al benadrukt tijdens de bespreking van de lipiden. Glycine is bijzonder door zijn erg kleine zijketen, en het apolaire proline legt bovendien sterische beperking op aan de ruggengraat van de peptidenketen (7 par. 1.4.2). De namen van de twintig aminozuren worden ook vaak afgekort met een eenlettercode en drielettercode (. figuur 1.20). Alanine, valine, isoleucine en leucine zijn apolaire aminozuren met een alifatische koolwaterstofketen. Merk op dat leucine en isoleucine structuurisomeren van elkaar zijn (. figuur 1.20). Twee van de overwegend apolaire aminozuren, cysteïne en methionine, dragen in hun zijketen een zwavelatoom. Dit zijn de zwavelhoudende aminozuren; deze vormen – naast de gesulfateerde aminosuikers (. figuur 1.7) – een verklaring voor het feit dat er zwavel in ons organisme aanwezig is. De sulfhydrylgroep (-SH) van cysteïne is redoxgevoelig, wat betekent dat er een gereduceerde en geoxideerde toestand bestaat. Hierdoor kunnen twee SH-groepen onder invloed

1

22


1

. Figuur 1.21 Omkeerbare eiwitfosforylering/-defosforylering gebeurt op specifieke serine-/threoninezijketens of specifieke tyrosinezijketens en vereist specifieke proteïnekinasen en proteïnefosfatasen. De negatief geladen fosfaatgroep is hier en verderop in dit boek voorgesteld als een P in een rode cirkel. De fosforylering is een energievragend proces dat adenosinetrifosfaat (ATP) kost.

van een oxiderende omgeving worden omgezet in een zwavelbrug (-S-S-), waarbij twee cysteïnezijketens in een peptide aan elkaar vast komen te zitten. Dit gegeven is bijzonder belangrijk voor de structuur van bepaalde peptiden, en ook voor de redoxeigenschappen van glutathion. Van de drie aminozuren met een aromatische zijketen (. figuur 1.20) is fenylalanine het meest apolair, want tyrosine heeft een OH-groep en tryptofaan (het grootste aminozuur) heeft een aminogroep die waterstofbruggen kan aangaan. Onder de polaire aminozuren onderscheiden serine en threonine zich door hun reactieve hydroxylgroepen. In heel wat eiwitten worden bepaalde serine- of threoninezijketens dan ook chemisch veranderd. Aangezien dit na de eiwitsynthese gebeurt, spreekt men van posttranslationele modificaties. Een voorbeeld is de O-gebonden glycosylering (. figuur 1.8). Een ander voorbeeld is de reversibele eiwitfosforylering/-defosforylering, die wordt gekatalyseerd door specifieke proteïnekinasen en proteïnefosfatasen (. figuur 1.21). Ook tyrosine-OH-groepen kunnen op deze wijze worden gemodificeerd. Dit is een bijzonder belangrijk onderdeel van de regeling van de enzymatische activiteit (7 par. 2.8.3). Bovendien kan de serine-OH-groep meedoen aan de katalyse van een chemische reactie door enzymen, bijvoorbeeld de serineproteasen. Lysine, arginine en histidine bezitten zijketens die een positieve lading dragen bij neutrale pH. Dit bepaalt de netto lading van een eiwit en is van groot belang voor hoe het eiwit zich gedraagt in een waterige omgeving. Hetzelfde kan gezegd worden van aspartaat en glutamaat (. figuur 1.20), die hun zijketens in waterige oplossing bij neutrale pH ioniseren tot anionen. Zeer polair en volumineus, maar niet geladen, zijn de amiden asparagine en glutamine, die directe afgeleiden zijn van aspartaat en glutamaat. De amidogroep van asparagine wordt in sommige membraanglycoproteïnen verbonden met een vertakt oligosacharide (N-gebonden glycosylering; . figuur 1.8).

1.4.2

Peptidebinding

Aminozuren hebben twee chemisch complementaire groepen, de aminogroep en de carboxylgroep, die een binding met elkaar kunnen aangaan. Wanneer dit is gebeurd, is een peptidebinding gemaakt, waarbij er een watermolecuul vrijkomt (. figuur 1.22). Het nieuwe molecuul heet een dipeptide. Net als bij legostenen blijven de complementaire groepen ook in het dipeptide aanwezig voor verdere aanbouw van nieuwe aminozuren en de volgende stap in deze opbouw is een tripeptide (. figuur 1.22). De biosynthese van peptidebindingen is endergonisch (energievragend) en vergt een aanzienlijke inbreng van energie die door cellen geleverd wordt in de vorm van ATP. De vorming van peptidebindingen gebeurt in een levende cel meestal via ribosomen, gespecialiseerde


23

. Figuur 1.22 Peptidebindingen ontstaan door chemische reactie van de vrije carboxylgroep van één aminozuur met de vrije aminogroep van een ander aminozuur met vrijkomen van water. Er blijven in het dipeptide (rechtsboven) een vrije aminogroep en een vrije carboxylgroep over, zodat nieuwe peptidebindingen kunnen worden bijgemaakt. Onder: structuur van glutathion (gamma-glutamyl-cysteïnyl-glycine), een belangrijk tripeptide. De linker peptidebinding is bijzonder, want hierbij is de carboxylgroep van de zijketen betrokken.

celorganellen voor de eiwitsynthese. In het voorbeeld waar het tripeptide glutathion wordt gevormd uit glutamaat, cysteïne en glycine (. figuur 1.22), zijn geen ribosomen betrokken, maar voor dit peptide gespecialiseerde transferasen. Glutathion (GSH) treedt met zijn vrije SH-groep van cysteïne op als redoxreagens in de reactie:

GSH + GSH → GSSG + 2H (7 par. 6.10.5) In . figuur 1.22 is de aminozuurvolgorde van het dipeptide en tripeptide zo geschreven dat het aminoterminale residu links staat en het carboxyterminale residu rechts. De specifieke volgorde van aminozuren in glutathion is dus Glu-Cys-Gly en niet Gly-Cys-Glu. De informatie van de aminozuurvolgorde in een peptidenketen heet de aminozuursequentie en samen met de juiste posities van S-S-bruggen tussen cysteïnezijketens wordt dit de primaire eiwitstructuur genoemd. Deze primaire structuur is verantwoordelijk voor de eigenschappen van het eiwit en bevat de informatie die bepaalt hoe het eiwitmolecuul zich driedimensionaal gaat oprollen tot een meer compacte structuur. De primaire structuur is dus zeer specifieke informatie die veel zegt over de identiteit van het eiwit en over de eiwitfunctie. Alleen al met een tripeptide zijn er met twintig bouwstenen 20 × 20 × 20 = 8000 mogelijkheden (de isopeptidebinding van gammaglutamaat zelfs niet meerekenend), dus het aantal mogelijke peptiden is astronomisch groot. Er is dus meer dan genoeg ‘informatieruimte’ om alle mogelijke specifieke peptiden te voorzien die een mens of een andere levensvorm nodig heeft om te functioneren. De informatie van de aminozuurvolgorde heeft een uiterst belangrijke invloed op de wijze waarop de peptidenketen zich opvouwt tot een 3-D-structuur, iets waarop in dit boek niet verder wordt ingegaan.

1.4.3

Primaire eiwitstuctuur en structuurhomologie

De eerste primaire structuur die in 1953 experimenteel door Fred Sanger werd achterhaald, is die van runderinsuline (. figuur 1.23). Insuline is een medisch belangrijk polypeptidehormoon (51 aminozuurresiduen), dat in het bloed verschijnt na een maaltijd en het bloedsuiker doet dalen. Gebrek aan dit hormoon is de oorzaak van suikerziekte (diabetes, 7 par. 12.7). Het idee is dus dat insuline een unieke specifieke primaire structuur moet hebben die het biologische effect van het hormoon kan verklaren. De primaire structuur van insuline van alle runderen heeft inderdaad de unieke kenmerkende handtekening, zoals getoond in . figuur 1.23. Zeldzame

1

24


1

. Figuur 1.23 Primaire structuur van runderinsuline (experimenteel bepaald door Fred Sanger, 1953). De drielettercode van de aminozuurresiduen is gebruikt. Insuline bevat twee covalent aan elkaar verbonden aminozuurketens: de A-keten, 21 residuen en B-keten, 30 residuen. Beide ketens zitten via twee zwavelbruggen aan elkaar vast (er is nog een derde zwavelbrug binnen de A-keten). Er zijn dus twee aminoterminale en twee carboxyterminale residuen. De apolaire residuen (met uitzondering van cysteïne) zijn blauw omcirkeld en de polaire residuen rood. In bepaalde zones liggen de zijketens van apolaire residuen blijkbaar dicht bij elkaar gestapeld. Dit bepaalt de driedimensionale eiwitstructuur in een waterige omgeving.

dieren waarin deze sequentie door een mutatie veranderd is, maken doorgaans defect insuline en hebben daardoor suikerziekte. Runderinsuline werd in de jaren vijftig van de vorige eeuw in slachthuizen gezuiverd uit alvleesklieren en als medicijn gebruikt voor suikerzieke patiënten. Het zuivere peptide bleek dus zeer werkzaam in de mens, wat een indicatie was voor een gelijkende aminozuursequentie en dus ruimtelijke structuur. Pioniers Fred Sanger Fred Sanger (. figuur 1.23) is een bijna legendarische onderzoeker (Sanger, 2001). Hij ontving al twee Nobelprijzen voor Chemie, de eerste in 1958 voor de primaire sequentie van insuline en de tweede in 1980 (samen met Paul Berg en Walter Gilbert) voor de Sanger-methode voor het bepalen van een DNA-sequentie (Sanger, 1988). Het werk van Sanger heeft een revolutie ontketend in de medisch-biologische wetenschappen. Er zijn zeer veel studies waarin de sequentiehomologie van een eiwitstructuur een rol speelt in de biologische interpretatie van gegevens. Een bevraging van PubMed (mei 2014) met als sleutelwoorden protein//sequence//homology//review’ (je kunt AND typen ipv //) leverde meer dan 7350 reviewartikelen op! Maar het zijn vooral de DNA-sequentiebepalingen die steeds meer en op steeds grotere schaal worden toegepast. Hele genomen worden met steeds minder moeite ‘gesequenced’, zodat de bio-informatica en vooral het opslaan en bewaren van deze kolossale hoeveelheid gegevens – ondanks de steeds beter wordende computers – een bottelnek aan het worden is. Het Sanger Institute in Cambridge is wereldleider in het ontwikkelen van nieuwe methoden om de technologische uitdaging van deze informatiestroom met succes te kunnen aangaan (Li & Durbin, 2010).


25

. Figuur 1.24 Orthologen voor menselijk pre-pro-insuline, cytochroom c en histon H4. Boven is de aminozuursequentie van pre-pro-insuline getoond voor vier vertebraten. Sterretjes duiden op identieke aminozuurresiduen voor mens, rund, kip en vis (coelacanth). Merk op dat het aantal identieke residuen groter is in de A-keten en de B-keten dan in het tussen deze ketens gelegen C-peptide. De vetgedrukte RR en KR zijn de dibasische peptiden die door prohormoon-convertase-enzymen als ‘grenzen’ worden herkend om pro-insuline te knippen tot insuline. Het blauw gedrukte signaalpeptide dient om pre-pro-insuline in het ER compartiment te adresseren; dit is belangrijk voor de insulinesecretie. Midden: de orthologe cytochroom-c-sequenties voor vier vertebraten. Merk op dat cytochroom c van mens en baviaan veel minder van elkaar verschillen dan dat van mens-kip en mens-kikker. Onderaan staat de aminozuursequentie van het eiwit histon H4, dat deel uitmaakt van de nucleosomen in alle eukaryote cellen. Hier wordt de sequentie vergeleken tussen een plant (Arabidopsis thaliana) een schimmel (de pathogeen Candida albicans) en twee gewervelde dieren (mens en coelacanth). Het is ongeveer één miljard jaar geleden sinds planten en dieren van elkaar splitsten; toch is 98% van de aminozuurzijketens identiek tussen Arabidopsis, mens en vis. Bron: 7 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/protein.

Orthologen Als men de primaire structuur van menselijk insuline zou bepalen, zou men bijna hetzelfde krijgen als runderinsuline van . figuur 1.23. We kunnen dit onderzoek uitbreiden naar andere vertebraten, zoals kip en coelacanth (een zeldzame vissensoort die al 300 miljoen jaar onveranderd is gebleven). . Figuur 1.24 toont voor vier diersoorten de primaire structuur van het voorlopereitwit, het pre-pro-insuline, dat in de pancreatische bèta-cellen gemaakt wordt, maar geknipt moet worden om insuline met zijn twee ketens te verkrijgen. Het valt in de figuur op dat pre-pro-insuline de grootste gelijkenis tussen de vier diersoorten oplevert ter hoogte van de segmenten die na het knippen de A-keten en B-keten opleveren. Men spreekt in de vaktaal van uitgesproken sequentiehomologie tussen deze insulines. Men noemt insuline van mens en rund elkaars orthologe eiwitten: hetzelfde type eiwit in twee verschillende soorten die afstammen van één gemeenschappelijke voorouder. De orthologe eiwitten worden gecodeerd door orthologe genen, die beide afkomstig zijn van een gemeenschappelijk oergen in het genoom van de gemeenschappelijke voorouder. Hoe langer geleden deze gemeenschappelijke voorouder heeft geleefd, des te meer tijd er is geweest voor het opstapelen van toevallige DNA-veranderingen in de twee orthologe genen, en des te meer verschillen er nu worden gezien in de twee orthologe eiwitten. Dat zie je heel mooi aan de B-ketensegmenten in . figuur 1.24, waarvoor mens en rund meer op elkaar lijken dan mens en vis. Je ziet ook duidelijk dat er voor een functioneel minder belangrijk deel van pre-pro-insuline, zoals het tussen deze Ben A-ketens gelegen C-peptide, veel meer verschillen bestaan tussen de vier dieren. Hoe belangrijker een aminozuurresidu in een eiwit, des te kleiner is de kans op verandering door evolutie en des te groter is dus de kans hetzelfde aminozuurtype op die plaats aan te treffen bij twee diersoorten. Hoe langer de evolutietijd, hoe meer gelegenheid er is geweest voor een verandering en dus is de kans des te groter een ander aminozuurtype op een bepaalde plaats aan te treffen bij twee vergeleken diersoorten. Dit idee wordt voor cytochroom c en histon H4 verder uitgewerkt in het kader ‘Evolutie’ hierna. Een kortere naam voor orthologe eiwitten en orthologe genen is orthologen.

1

26

1


Evolutie Orthologe eiwitten en stapsgewijze eiwitevolutie Het onderzoek van sequentiehomologie van orthologe eiwitten is een steunpilaar voor de moleculaire evolutieleer en vormt de basis voor het opstellen van de ‘levensboom’ (CavalierSmith, 2006). De eerste grote opsplitsing onder de eukaryote cellen vond ongeveer 0,9 miljard jaar geleden plaats en gaf sommige eencelligen het vermogen om te fagocyteren (Cavalier-Smith, 2002). De schattingen van hoe lang eencellige eukaryoten toen al op aarde waren, lopen uiteen van 0,1 tot 1,3 miljard jaar (De Nooijer et al., 2009). Dit zijn allemaal kolossale tijden die eenvoudig op de schaal van een wandelaar te zetten zijn. We herdenken in 2014 in Vlaanderen honderd jaar na dato het begin van de ‘Groote Oorlog’ (Eerste Wereldoorlog): laat ons stellen dat dit vijf centimeter is op de tijdschaal. Neem één stap van een meter: we gaan terug naar de tijd van de Romeinen, Julius Caesar, de verovering van Gallië en ‘de dappersten van alle Galliërs, de Belgen’. Nog twee stappen verder en we zitten in Mesopotamië en de ontdekking van het schrift, de landbouw en veeteelt. De laatste glaciaal (Weichselien) eindigde pakweg 12.000 jaar geleden, dus nog eens drie stappen verder. Twintig stappen verder verdwenen de Neanderthalers van het toneel, waarbij alleen de cro-magnonmens, Homo sapiens, overbleef. Anderhalve kilometer stappen en we zitten in de periode van de eerste hominiden, die ruim 3 miljoen jaar geleden in Afrika geleefd hebben. Dertig kilometer stappen verder en we komen bij het punt waar de gemeenschappelijke voorouder van mens en rund (beide zoogdieren) moeten hebben geleefd. Tweehonderd kilometer verder en we komen bij het punt van de eerste vertebraten (vissen) die hun genoom (of delen ervan) tweemaal hebben gedupliceerd, met het ontstaan van vele paraloge eiwitten binnen de soort. Nog driehonderd kilometer verder en we zitten bij de voorlopers van fungi, zoals Candida albicans en bakkersgistcellen (eencellige eukaryoten). Het ontstaan van de eerste levende cellen ligt nog ruim duizend kilometer verder! Enorme afstanden in de tijd, die de mens met zijn cultuur en geschreven geschiedenis evenals de tijdschaal van de reeds begonnen en verwachte door de mens uitgelokte klimaatveranderingen in een nietig perspectief plaatsen. In de pakweg 400 miljoen jaar evolutietijd die de vier getoonde vertebraten hebben ondergaan sinds hun gemeenschappelijke voorouder (een vis) leefde, zijn er blijkbaar weinig veranderingen opgetreden in de genetische informatie die codeert voor ‘hun eigen’ insuline. Men kan dit als volgt interpreteren: omdat insuline een belangrijk hormoon is voor het regelen van het lichaamsmetabolisme, zijn mutaties in het coderende gen erg nadelig voor het individu. Ontstaat er toch een spontane mutatie in het eiwitcoderend gedeelte van het insulinegen, en levert dit een mutant insuline op dat weinig stabiel is of slecht werkt, dan sterft dit dier aan suikerziekte voordat het nakomelingen heeft voortgebracht. Volgens Darwiniaanse selectie worden veranderingen in de primaire structuur van insuline dus niet of nauwelijks getolereerd als deze leiden tot functieverlies. Blijkbaar mag aan de hele A-keten, met uitzondering van de korte sequentie tussen Cys-7 en Cys-11, niet getornd worden. Ook voor de B-keten zijn er maar een paar residu’s waar de dieren van elkaar verschillen. Ook de di-basische aminozuurparen (Arg-Arg of Lys-Arg) die herkend worden tijdens het verknippen van pro-insuline tot insuline zijn perfect behouden. Ook in het signaalpeptide dat ervoor zorgt dat pre-pro-insuline in het ER terechtkomt en dus later als insuline kan worden uitgescheiden, is er behoud van een aantal residu’s. Voor het Cpeptide is het behoud echter gering en dit is een argument dat dit segment eerder dient als opvulling tussen de belangrijke A- en B-segmenten.


27

Als men de sequentiehomologie van de orthologen in meer levensvormen gaat vergelijken, kan men op basis van deze homologie voor ieder residu een uitspraak doen over het functionele belang voor de eiwitfunctie. Dit idee kan ook worden bekeken met cytochroom c (gennaam = CYCS), een bijzonder belangrijk eiwit voor het energiemetabolisme, dat centraal gelegen is in de werking van de oxidatieve fosforylering (7 par. 5.5) en dus noodzakelijk in ongeveer alle levensvormen op aarde. De orthologen van cytochroom c in mens en Papio hamadryas (de mantelbaviaan, dus een andere mensaap) verschillen inderdaad in slechts drie van de 105 aminozuurresiduen (. figuur 1.24). Voor mens en kip is het verschil opgelopen tot 13 residuen en voor mens en Xenopus leavis, een kikker, 16 (. figuur 1.24). Men kan met veel meer levensvormen een soort moleculaire levensstamboom maken, met het idee dat hoe langer de aftstand tot een gemeenschappelijke voorouder, des te meer verschillen tussen orthologen (figuur). Zo is het verschil tussen cytochroom c van mens en Saccharomyces cerevisiae (bakkersgist – evolutionaire afstand ongeveer 1 miljard jaar) 45 residuen. Opmerkelijk genoeg zijn 59 van de 105 residuen van cytochroom c in gist en mens identiek. Deze geconserveerde residuen zijn waarschijnlijk zeer belangrijk voor het functioneren van het eiwit (7 par. 5.5) en dus voor het energiemetabolisme. Dit impliceert dat elke mutatie van een dergelijk geconserveerd aminozuur fataal is voor het individu en dus niet behouden blijft voor de volgende generatie. Dankzij de experimentele mutagenese en expressie van mutante eiwitten in modelsystemen (site-directed mutagenesis) heeft men dit vermoeden experimenteel kunnen onderbouwen (Meyer et al., 1994). Opmerkelijk is dat alle sterk geconserveerde residuen ruimtelijk samenkomen aan één zijde van het eiwitoppervlak, dat bijzonder belangrijk is voor het contact met de andere eiwitten van de ademhalingsketen (7 par. 5.5). De aminozuurzijketens aan de andere zijde van het oppervlak mogen enigszins variëren zonder dat dit de eiwitfunctie stoort.

Moleculaire evolutie van cytochroom c. Links: tabel van het aantal verschillen in de primaire structuur van cytochroom c, een eiwit dat bestaat uit een ketting van 105 aminozuren. Elk getal ligt op een kruispunt waar twee soorten worden vergeleken. Hoe hoger het cijfer, hoe meer plaatsen er zijn in de primaire structuur waar het aminozuur niet identiek is. Rechts: cladistisch diagram van de evolutionaire relaties (gemeenschappelijke voorouder) tussen levensvormen in de tabel. Hoe recenter de splitsing vanuit de gemeenschappelijke voorouder, hoe kleiner het aantal verschillen in de primaire structuur.

1

28

1


Histonen Histonen vertonen nog veel minder verschillen in aminozuursequentie dan insuline of cytochroom c wanneer men diverse levensvormen vergelijkt (. figuur 1.24). Histon H4 is op slechts twee verschillen in de 102 residuen van dit eiwit na gelijk in het raketplantje (Arabidopsis thaliana) en in twee vertebraten (mens en Coelacanth); dit ondanks een evolutionaire afstand van de gemeenschappelijke voorloper van circa 1 miljard jaar! Ook de schimmel Candida albicans en mens lijken voor wat betreft de sequentie van histon H4 nog enorm veel op elkaar. Dit kan alleen maar uitgelegd worden door een bijna ‘perfecte’ stroomlijning van de functie van alle aminozuurzijketens in deze eiwitstructuur. Histonen zijn compact opgerolde eiwitten die in de vorm van nucleosomen de dubbele helix van DNA verpakken tot chromatine. Een exacte driedimensionale structuur en exact de juiste energie om DNA op te rollen en te ontrollen zijn noodzakelijk voor uiterst belangrijke processen, zoals DNA-replicatie en -transcriptie. Merk bijvoorbeeld in de primaire structuur op dat in histon H4 lysine (K, 12×) en arginine (R, 14×) veel meer voorkomt (samen ongeveer 25% van de residuen) dan aspartaat (D, 3×) en glutamaat (E, 4×). De positief geladen Arg- en Lys-residuen van dit histon zijn functioneel en interageren met de negatief geladen fosfaatgroepen van het DNA. Bovendien worden sommige van de lysine- en argininezijketens van histonen, vooral aan de aminoterminale zijde (het niet compact opgevouwen deel), volgens een welbepaald ontwikkelingspatroon posttranslationeel gewijzigd. Dit gebeurt vooral via methylering of acetylering, maar ook via citrullinering, ubiquitinylering of sumoylering (Smith & Denu, 2009). Deze waaier van aminozuurmodificaties is de moleculaire basis van de epigenetica (Mathers & McKay, 2009) en is van bijzonder groot belang voor het selectieve gebruik van het genoom tijdens differentiatie. Verstoring van dit patroon is verbonden aan het risico op het ontwikkelen van kanker (Ellis et al., 2009). Deze kennis krijgt een bijzondere betekenis binnen de context van dit boek, met het besef dat de voedingstoestand van de moeder tijdens de zwangerschap een van de omgevingsfactoren is die overerfbare veranderingen kunnen opleggen aan het genoom van de zich ontwikkelende foetus (Delage & Dashwood, 2008).

Paralogen Vergelijking van de aminozuursequenties van verschillende soorten eiwitten binnen één species levert doorgaans ook sequentiehomologie op, die zich soms beperkt tot een segment van de polypeptideketen. Cytochroom c lijkt enigszins op andere cytochromen; insuline lijkt veel op een deel van de structuur van twee andere peptidehormonen: IGF-1 en IGF-2 (insulin-like growth factor 1 en 2). Dit zijn twee insulineachtige peptidehormonen die bij alle hogere diersoorten voorkomen en werken als groeistimulator (Lee & Gorospe, 2009). Insuline behoort dus tot een eiwitfamilie met onderlinge sequentiehomologie. Myoglobine, het zuurstoftransporteiwit in de spiercel, lijkt op zijn beurt sterk op de eiwitketens van hemoglobine, het zuurstoftransporteiwit in de rode bloedcel. Er bestaat dus een globine-eiwitfamilie, waarbij de leden sequentiehomologie en functiehomologie bezitten en een celspecifiek patroon van expressie vertonen. Het dient benadrukt te worden dat deze vaststelling eerder regel dan uitzondering is in hogere dieren die veel gespecialiseerde celtypen bezitten met een celspecifiek patroon van eiwitexpressie. Met andere woorden: de meeste eiwitten zijn leden van een of andere eiwitfamilie; de familieleden zijn gespecialiseerd in afzonderlijke (vaak op elkaar lijkende) taken en zijn ontstaan via divergente evolutie op basis van genduplicatie en diversificatie in functie van de tijd (Hoffmann et al., 2008). We noemen twee eiwitfamilieleden in dezelfde levensvorm paraloge eiwitten (paralogen) of isovormen van elkaar. Heel wat menselijke enzymen hebben paralogen, iets waar we later in dit boek dikwijls op zullen terugkomen.

1.5̓t̓#BTFO OVDMFPUJEFOFOOVDMFÕOF[VSFO

29

Om de paralogie van veel eiwitten bij de mens te begrijpen, moeten we even stilstaan bij het belangrijke idee ontwikkeld door Susumu Ohno, die stelde dat genduplicatie heel belangrijk is geweest in de evolutie van het leven. Ohno stelde het volgende probleem: als er één gen voor een bepaald eiwit in het genoom aanwezig is, dan zal na lange tijd van natuurlijke selectie de optimale sequentie zijn ontstaan die het eiwit oplevert met exact de nodige functie. Elke mutatie in het gen levert een afwijking ten opzichte van deze optimale vorm en dus een verlies van functie. Hierdoor komt evolutie in een ‘dwangbuis’ terecht en verandert er na bepaalde tijd nog weinig. Maar wat als het gen een kopie van zichzelf achterlaat in het genoom? Dan kan het oorspronkelijke gen zijn optimale vorm behouden en zijn functie blijven uitoefenen. Het tweede gen (de kopie) is echter vrij om te muteren en te evolueren naar een nieuwe functie. Ohno stelde dat er zonder genduplicatie uit bacteriën alleen andere bacteriën zouden ontstaan, maar geen planten en dieren. Het voorkomen van vele paralogen in de genomen van mens en dier ondersteunt het bestaan van genduplicatie als mechanisme van evolutie. Een bijzonder voorbeeld is het bestaan van vier HOX-genenclusters (transcriptiefactoren die een belangrijke rol spelen in de ontwikkeling van het embryo). Elke cluster bevat een tiental paraloge genen die bij ongewervelde dieren ontstaan zijn door locale genduplicaties van één oer-HOX-gen. Tijdens de eerste fase van de evolutie van gewervelde dieren (pakweg 450 miljoen jaar geleden) is deze ene HOX-genencluster tweemaal gedupliceerd, zodat vandaag levende zoogdieren, reptielen (inclusief vogels, de afstammelingen van dinosaurussen) en amfibieën vier HOX-genenclusters bezitten, gelegen op verschillende chromosomen. Men kan, volgens het idee van Ohno, veronderstellen dat de evolutie van nieuwe lichaamsbouw (ongewervelden naar gewervelden) verband houdt met het verschijnen van nieuwe HOX-paralogen die nieuwe functies toelieten; dit door opstapeling van mutaties die de eiwitstructuur doen veranderen. Het wordt bovendien aangenomen dat de genduplicaties op veel grotere schaal gebeurd zijn dan voor de HOX-genenclusters alleen en mischien wel totale genoomduplicaties waren (. figuur 1.25). Maar voor lang niet alle genen vinden we vier paralogen terug. Men veronderstelt daarom dat er naast de genduplicaties ook een proces van genenverlies (pseudogenvorming) bestaat. > Samengevat zijn er voor bijzonder veel genen van het menselijk genoom paralogen te vinden, meestal op andere chromosomen. We zullen dan ook in latere hoofdstukken in dit boek stil staan bij dit fenomeen.

1.5

Basen, nucleotiden en nucleïnezuren

De vierde groep biomoleculen heeft overeenkomsten met de derde. Net als de relatie tussen aminozuren en eiwitten, hebben we in deze groep te maken met een beperkt aantal bouwstenen, de nucleotiden, die verantwoordelijk zijn voor de synthese van een bijna oneindige verscheidenheid aan nucleïnezuren van twee soorten: DNA (desoxyribonucleïnezuur) ) en RNA (ribonucleïnezuur) ). Zoals ook het geval is voor de eiwitten, bevat de nucleotidenvolgorde informatie voor de functie van het nucleïnezuur. Een deel van de nucleïnezuren zijn informatiedragende moleculen (. figuur 1.26). Een tweede relatie is metabool: de aminozuren zijn chemische voorlopers van de basen van DNA en RNA (7 H. 10). Ten slotte is er een intens verstrengelde relatie tussen de functies van nucleïnezuren en die van eiwitten (. figuur 1.26). Men kan dit schema, dat de stroom van informatiedragende en uitvoerende moleculen in het leven samenvat, om het even waar beginnen, want het is een cirkel. DNA heeft de genetische informatie opgeslagen om alle eiwitten te maken die de cel nodig heeft. Diverse soorten RNA zorgen voor een betrouwbare en regelbare omzetting van deze informatie tot eiwitten

1

30


1

. Figuur 1.25 Genoomduplicaties als mogelijke verklaring voor de vele paraloge genen in het genoom van de huidige mens (onderaan). Het proces is getekend voor tien in elkaars buurt liggende genen. Twee grootschalige genduplicaties (mogelijk totale genoomduplicaties) hebben plaatsgevonden ergens tussen 450 en 400 miljoen jaar geleden bij een oervertebraat waarvan alle nu levende gewervelde dieren afstammen. Door uitval van grote aantallen genen (pseudogenvorming) en opstapelende mutaties zijn de kopieën van elkaar gaan verschillen. Wat (om het simpel te houden) niet is getekend is het feit dat er door herschikkingen in de genenvolgorde (inversties, translocaties) bijkomende verschillen tussen de kopieën zijn ontstaan. Het aantal paralogen loopt in dit model uiteen tussen 1 en 4.

(transcriptie en translatie). DNA kan zichzelf bijna foutloos laten kopiëren (replicatie). Voor replicatie, transcriptie en translatie zijn er echter heel veel soorten eiwit nodig. Dus wat was er eerst? Eiwit of nucleïnezuur? De kip of het ei? Evolutie Het ‘centrale dogma’ van de moleculaire biologie . Figuur 1.26 bevat het zogeheten ‘centrale dogma’ van de moleculaire biologie, in 1957 voor het eerst naar voren gebracht door Francis Crick. De laatste vijftig jaar moest dit schema herhaaldelijk worden aangepast omdat er tijdens de evolutie van het leven mechanismen zijn ontstaan die gebruik maken van of parasiteren op elementen van het centrale dogma. Retrovirussen gebruiken bijvoorbeeld de omgekeerde transcriptie (reverse transcription), waarin RNA wordt afgeschreven tot cDNA. Prionen, de verwekkers van de gekkekoeienziekte en de ziekte van Creutzfelt-Jacob, zijn eiwitten die zichzelf lijken te kopiëren zonder tussenkomst van RNA of DNA. Men kan zich de vraag stellen wat er in het leven het eerst ontstond: DNA (de informatiedrager), of eiwit (de uitvoeder van de gedragen informatie). Zoals hierna wordt uitgelegd (7 par. 2.7), zijn er argumenten binnen het ‘kip en ei’-debat, dat RNA zeer vroeg in het ontstaan van het leven verscheen, want het kan zowel functioneren als drager als als uitvoerder. De eerder vermelde Christian De Duve is naast Leslie Orgel een van de prominente voorstanders van deze hypothese van een vroege ‘RNA-wereld’.

De bouwstenen van nucleïnezuren zijn de nucleotiden, die op hun beurt bestaan uit drie onderdelen: ten eerste een base, ten tweede ribose of desoxyribose (een furanosestructuur van een aldose met vijf C-atomen; zie suikers) en ten derde een fosfaat (. figuur 1.27).


31

. Figuur 1.26 Relatie tussen nucleïnezuren en eiwitten. DNA slaat de erfelijke informatie in een stabiele chemische vorm op die betrouwbaar kan worden doorgegeven aan de volgende generaties (replicatie). Om tot uitdrukking te komen moet deze informatie eerst worden overgeschreven tot mRNA (transcriptie). Vervolgens wordt het transcript door ribosomen vertaald tot een specifiek eiwit. Hierbij zijn andere soorten RNA actief (rRNA’s, tRNA’s, miRNA’s). Er bestaat colineariteit tussen de basenvolgorde in de nucleotiden van DNA en de aminozuurvolgorde in de primaire structuur van een eiwit. Omdat er voor replicatie, transcriptie en translatie specifieke eiwitten nodig zijn, worden nucleïnezuren en eiwitten afhankelijk van elkaars functie. Het hier getoonde geval kan bijvoorbeeld gelden voor het celcycluseiwit ribonucleotidereductase (7 par. 10.4.1), dat nodig is voor synthese van nieuw DNA. Maar ook alle enzymen die voor de energie zorgen voor een van de getoonde processen passen in dit beeld van wederzijdse afhankelijkheid.

We onderscheiden vijf soorten basen als uitgangspunt voor DNA en RNA, hoewel sommige basen na inbouw chemisch kunnen worden gemodificeerd, bijvoorbeeld methylering in DNA. Deze vijf basen zijn in te delen in twee purinen en drie pyrimidinen (. tabel 1.4 en . figuur 1.27). Adenine, guanine en cytosine worden gemeenschappelijk gebruikt voor RNA en DNA, maar de tweede pyrimidine is verschillend voor RNA (uracil) of DNA (thymine). Nucleosiden zijn structuren waarvan de base covalent verbonden is aan het C1’-koolstofatoom van ribose of desoxyribose. Let op de Haworth-projectie en de bèta-anomere ruimtelijke oriëntatie van de base. Nucleotiden hebben als extra groep een (of meer) fosfaatester(s) die verbonden zijn aan alcoholgroepen van de suiker. Desoxyadenosine-5’-monofosfaat (desoxyadenylaat, afgekort dAMP) is hier een voorbeeld van. Nucleïnezuren ontstaan wanneer nucleosidetrifosfaten polymeriseren, waarbij twee fosfaatesters afsplitsen en alleen het binnenste fosfaat overblijft om een covalente brug te maken tussen het 5’-koolstofatoom van de suiker waar het al aan vast zat en het 3’-koolstofatoom van de suiker van het naburige nucleotide. Zo krijgt men enkelstrengig DNA en RNA (. figuur 1.28).

1.5.1

Dubbele helixstructuur

Twee bijzonder invloedrijke wetenschappelijke artikelen verklaren de structuur van de dubbelstrengige DNA-helix (Watson & Crick, 1953b) en het gevolg hiervan voor de informatie-inhoud tijdens de semiconservatieve DNA-replicatie (Watson & Crick, 1953a). De kerngedachte in deze structuur is de eigenschap van nucleïnezuren om op specifieke wijze basenparen te vormen (. figuur 1.29). In deze zogeheten Watson-Crick-basenparen (A-T, T-A, G-C en C-G)

1

32


1

. Figuur 1.27 Bouwstenen van een nucleotide. Boven: de vijf meest gebruikte basen in nucleotiden en nucleïnezuren. Adenine en guanine zijn purinen, cytosine, uracil en thymine zijn pyrimidinen. Onder: de twee gebruikte suikers zijn ribose (RNA en ribonucleotiden) en desoxyribose (DNA). Nucleotiden, zoals desoxyadenosine-5’-monofosfaat (desoxyadenylaat of afgekort dAMP), hebben op de suiker (zwarte vijfring) minstens één fosfaatester. Voor het aanmaken van DNA en RNA zijn de trifosfaten nodig omdat deze de energie bevatten voor de polymerisatiestap. De nummering 1’, 3’ en 5’ slaat op de koolstofatomen van de suiker. In desoxyribose is het 2’ koolstofatoom gereduceerd.

. Tabel 1.4

Nomenclatuur van basen, nucleotiden en nucleosiden. Base

RNA

DNA

Nucleoside

Nucleotide (monofosfaat)

adenine

purine

adenosine

adenylaat (AMP)

guanine

purine

guanosine

guanylaat (GMP)

uracil

pyrimidine

uridine

uridylaat (UMP)

cytosine

pyrimidine

cytidine

cytidylaat (CMP)

adenine

purine

desoxyadenosine

desoxyadenylaat (dAMP)

guanine

purine

desoxyguanosine

desoxyguanylaat (dGMP)

thymine

pyrimidine

desoxythymidine

desoxythymidylaat (dTMP)

cytosine

pyrimidine

desoxycytidine

desoxycytidylaat (dCMP)

bestaat er complementaire structuur tussen twee basen die liggen aan weerskanten van twee interagerende DNA-strengen. Deze complementariteit berust enerzijds op een karakteristieke lengte, breedte en hoogte, die overeenkomt met het toegelaten volume tussen de ruggengraat van beide strengen, en anderzijds op een patroon van waterstofbruggen (twee tussen adenine en thymine en drie tussen cytosine en guanine). Deze H-bruggen worden verklaard door het precies complementair aan-


33

. Figuur 1.28 Enkelstrengig DNA bezit een ruggengraat van steeds terugkerende covalente bindingen tussen twee zuurstofatomen (3’ en 5’) van desoxyribose en fosfaatesters. Daarbovenop staat een variabel deel in de vorm van de volgorde van de basen (A, T, C of G). De ruggengraat heeft ook een oriëntatie (5’ versus 3’ uiteinden van de laatste fosfaatester) en de conventie is om de informatie-inhoud van het nucleïnezuur op te schrijven als de basenvolgorde (eenlettercode) van 5’ naar 3’. In dit voorbeeld wordt dit dus ATGC.

wezig zijn van H-donoren en H-acceptoren op de juiste positie in de structuur (. figuur 1.29). Hierdoor legt de informatie-inhoud van één streng in het nucleïnezuur (de basenvolgorde in één nucleotidenketen) ook die van de andere (de complementaire keten) vast. Zo kon een eenvoudig model worden opgesteld voor wat er tijdens de DNA-replicatie en -transcriptie gebeurt (. figuur 1.26): er wordt een complement van de complementaire streng gemaakt en zo ofwel een kopie (DNA-replicatie), ofwel een afschrift (RNA-transcriptie) verkregen van het origineel. James Watson en Francis Crick kregen voor dit theoretische onderzoek in 1962 de Nobelprijs voor Geneeskunde/Fysiologie, samen met Maurice Wilkins. Pioniers Rosalind Franklin en de ontdekking van de dubbele helix Er dient op dit punt in het verhaal van de ontdekking van de aard van het informatiedragende DNA toch heel nadrukkelijk één naam te worden toegevoegd: Rosalind Franklin (Maddox, 2003). Franklin had, voor Watson en Crick aan hun modelbouw begonnen, als chemicus aan de Universiteit van Cambridge zeer waardevolle experimentele gegevens verkregen na X-straaldiffractie van gezuiverd B-DNA. Wilkins, die in hetzelfde lab als Franklin werkte op ADNA, speelde – zonder dat zij daarvoor toestemming had gegeven – de niet-gepubliceerde onderzoeksresultaten van Franklin in mei 1951 op een symposium in Italië door aan James Watson. Die raakte hierdoor geïnteresseerd in de structuur van DNA en begon met Crick op dit onderwerp te werken in een voor Franklin concurrerend lab in Cambridge. Franklin publiceerde in hetzelfde nummer van Nature van 25 april 1953 waarin ook het artikel van Watson en Crick verscheen haar eigen onderzoeksresultaten, die uiteraard die van het model van Watson en Crick ondersteunden (Franklin & Gosling, 1953). Rosalind Franklin heeft de eer van haar eigen ontdekking en de revolutie die dit heeft ontketend in de biowetenschappen niet mogen meemaken: in 1958 overleed zij op 37-jarige leeftijd. Watson en Crick hebben de cruciale bijdrage van Franklin aan de ontdekking van de structuur van DNA steeds vermeld (zie bijvoorbeeld de volgende website van de Nobel Foundation: 7 http://nobelprize.org/index.html).

1

34


1

. Figuur 1.29 Basenpaarvorming in dubbelstrengig DNA. Op basis van waterstofbruggen tussen specifiek tegenover elkaar liggende H-donoren en acceptoren en op basis van de ruimte die aanwezig is tussen de ruggengraat van beide strengen, zijn specifieke A-T- of T-A-paren mogelijk met twee waterstofbruggen en C-G- of G-C-paren met drie waterstofbruggen (rode stippellijnen). Hier is niet getoond dat beide complementaire strengen, door de geometrie van de bindingen in hun ruggengraat, op een antiparallelle wijze om elkaar heen draaien met een periodiciteit van tien nucleotiden per winding. Dit is de zogeheten ‘dubbele helix‘. Aan weerszijden van het model twee pioniers van het concept, Francis Crick, die het dubbelehelixmodel bouwde op basis van de meetresultaten van Rosalind Franklin.

1.6

Enzymen zijn de katalysatoren van het metabolisme

Onder fysiologische omstandigheden verlopen de meeste biochemische reacties tussen zuivere stoffen bijzonder traag. Neem bijvoorbeeld de splitsing van een peptidebinding door een molecuul water. Deze reactie noemt men hydrolyse en kan schematisch worden geschreven als het omgekeerde van de synthese van een peptidebinding (. figuur 1.30). Deze reactie is exergonisch en dus spontaan mogelijk. Echter, peptidebindingen zijn in waterige oplossing bij neutrale pH en bij lichaamstemperatuur vrij stabiel. Dit is maar goed ook, anders zouden we in de regen of in bad oplossen (onze huid en haren bestaan grotendeels uit eiwit). Anderzijds is deze stabiliteit een probleem voor eiwit in ons voedsel omdat het zonder tussenkomst van enzymen maanden zou duren voor er iets van de peptidebindingen in voedingseiwit is gekliefd. Door de spijsverteringsenzymen worden voedingseiwitten binnen minuten verteerd, doordat de hydrolytische reactie van . figuur 1.30 vele miljoenen malen wordt versneld. Voorbeelden van pancreatische spijsverteringsenzymen die voedingseiwitten verteren zijn trypsine en chymotrypsine. Deze versnelling noemen we katalyse. Kenmerkend is dat de katalysator (het enzym) niet stoichiometrisch tijdens een reactie wordt verbruikt en dus beschikbaar blijft om nieuwe reacties te katalyseren. Hierdoor kan één

1.6̓t̓&O[ZNFO[JKOEFLBUBMZTBUPSFOWBOIFUNFUBCPMJTNF

. Figuur 1.30

35

Hydrolyse van de peptidebinding wordt gekatalyseerd door hydrolasen.

spijsverteringsenzym honderden tot duizenden keren dezelfde reactie katalyseren in het voedingseiwit voordat het zelf wordt verteerd en uitgeschakeld. Het mechanisme van de katalyse kan worden achterhaald door nauwkeurige bepaling van de ruimtelijke eiwitstructuur (X-straalanalyse). Bovendien tracht men nu door gecontroleerde mutagenese (site-directed mutagenesis) de eigenschappen van natuurlijke (bekende) enzymen te verbeteren. Hierna worden enkele algemeenheden over enzymen en katalyse besproken. In het volgende hoofdstuk wordt de regeling van de enzymactiviteit behandeld. In de rest van dit boek staat de katalyserende rol van enzymen bijna voortdurend centraal. Pioniers Louis Pasteur Een van de eerste disciplines in de geschiedenis van de biochemie was die van de enzymologie, de wetenschap die zich bezighoudt met de katalyse van biochemische reacties. De eerste basis voor de ontdekking van enzymgekatalyseerde reacties werd gelegd door baanbrekend werk van Louis Pasteur (1822-1895). Pasteur was chemicus en bioloog en heeft in beide disciplines grote ontdekkingen gedaan. Hij wordt beschouwd als de vader van de chiraliteit (asymmetrie) van moleculen en van de stereochemie. Als microbioloog bestudeerde hij de wetenschappelijke basis van de alcoholische fermentatie van suiker tot ethanol. Het behoeft geen uitleg dat deze reactie voor de Franse economie en cultuur in de 19e eeuw van grote betekenis was (en nu nog altijd is). Pasteur werd als expert ingeroepen omdat sommige fermentaties fout liepen en azijnzuur in plaats van ethanol opleverden. Hij ontdekte dat dergelijke reacties het werk waren van levende micro-organismen. Zijn ontdekkingen vormden de basis van verhitte discussies in de 19e-eeuwse academies voor wetenschappen in verband met de oorsprong van het leven. In feite leidden deze discussies de eindstrijd in tussen voorstanders en tegenstanders van het vitalisme, de bijna tweeduizend jaar oude wetenschappelijke theorie dat het leven niet alleen als mechanisme verklaard kan worden, maar een onstoffelijk element bevat, vaak aangeduid als de ‘essentiële vonk’, de ‘ziel’, de ‘levenskracht’ die niet verklaarbaar is door energie, zoals we die kennen uit de thermodynamica. Eduard Buchner Eduard Buchner maakte in het begin van deze eeuw een definitief einde aan deze strijd door aan te tonen dat dergelijke reacties ook werden gekatalyseerd door fermenten (genoemd naar de fermentatie) in celvrije extracten, dus in ‘levenloze’ sappen (7 figuur 3.1). In een soort uitgeperste dode ‘celsoep’ zaten dus factoren die een belangrijk biologisch proces konden uitvoeren. Deze katalyserende factoren werden later enzymen genoemd: dit woord werd afgeleid van het Griekse εν ζυμοσ, dat ‘in gist’ betekent. Alle cellen, van bacteriën tot de gespecialiseerde cellen van de mens, bleken vele enzymen te bezitten die een grote

1

36


1

. Figuur 1.31 De transitietoestand is de energetisch meest onwaarschijnlijke toestand tussen substraat en reactieproduct; deze wordt ‘waarschijnlijker’ gemaakt door tussenkomst van de katalysator. In het voorbeeld van de hydrolyse van een peptidebinding is een van de transitietoestanden getekend (midden boven); hierbij is de peptidebinding al verzwakt en is een oxanion (zuurstofatoom met één netto negatieve lading) getekend. Proteasen stabiliseren deze toestand door een ‘oxaniongat’ te maken in de actieve site.

verscheidenheid van taken uitvoeren. Bijna altijd zijn enzymen specifieke proteïnen met een soortspecifieke driedimensionale structuur en functie. Elke biochemische stap in het metabolisme wordt dus gekatalyseerd door een specifiek enzym. In de loop van de twintigste eeuw zijn duizenden verschillende enzymen geïdentificeerd. Dankzij de revolutie in de DNA-technologie werden de laatste decennia in versneld tempo vele nieuwe enzymen en hun genen ontdekt.

Het mechanisme van katalyse heeft te maken met de precieze driedimensionale structuur (tertiaire structuur), dus de wijze waarop de aminozuurketting zich in de ruimte oprolt, waardoor een kleine ruimte wordt gevormd die chemisch perfect complementair is aan de zogenoemde transitiestaat of transitietoestand (Engels: transition state) tussen substraat en reactieproduct (. figuur 1.31). Deze transitie komt in het energiediagram van een chemische reactie voor als de hoogst mogelijke energetische toestand en vertegenwoordigt dus een soort barrière om de reactie te laten verlopen. Tijdens deze toestand is de bestaande elektronenconfiguratie van het substraat al gedeeltelijk verdwenen en is al het begin van de nieuwe elektronenconfiguratie van het reactieproduct ontstaan. Het energieverschil tussen de begintoestand en de transitietoestand heet de activeringsenergie. Hoe groter dit energieverschil is, des te onwaarschijnlijker is het dat deze toestand zal worden bereikt en des te trager verloopt de reactie. Het katalytisch vermogen van enzymen berust op het feit dat ze de activeringsenergie verlagen. Ze doen dit door in de actieve site een chemische omgeving te creëren die optimaal is aan-

1.7̓t̓$MBTTJöDBUJFWBOFO[ZNFO

37

gepast aan de structuur van de transitietoestand. Met andere woorden, enzymen stabiliseren de chemische toestand van de transitie. Merk op dat het door deze stabilisatie ook gemakkelijker is geworden om van de eindtoestand via de transitietoestand naar de begintoestand te gaan. Indien dit mogelijk is, spreekt men van een reversibele reactie. Veel biochemische reacties zijn reversibel; enzymen versnellen door katalyse de reactie even sterk in beide richtingen (heen en terug). Hierdoor hebben ze geen invloed op de ligging van het reactie-evenwicht. De kleine ruimte waar substraat en reactieproduct tijdelijk aanwezig zijn en waar de transitietoestand waarschijnlijk wordt gemaakt (katalyse), heet de actieve site. De specifieke chemische omgeving (wanden) van de actieve site bepaalt een belangrijke eigenschap van elk enzym, namelijk de grote kieskeurigheid voor wat betreft de keuze van het substraat. In de enzymologie noemt men deze eigenschap substraatspecificiteit. Dit impliceert dat er voor de duizenden chemische reacties in levende cellen evenveel specifieke enzymen nodig zijn. We zullen in de volgende hoofdstukken met meer dan honderd van deze specifieke enzymen kennismaken. Een tweede belangrijke eigenschap van enzymen vormt de hoge mate van regelbaarheid, zodat de werkelijke snelheid van de chemische reactie niet afhankelijk is van de massawet, maar eerder van de activiteitstoestand van het enzym. Enzymregulatie begint doorgaans op plaatsen die ver weg liggen van de actieve site en zal worden besproken in het volgende hoofdstuk.

1.7

Classificatie van enzymen

Het grote aantal enzymen maakt een objectieve en ondubbelzinnige classificatie en correcte naamgeving noodzakelijk. De nu gehanteerde officiële enzymnomenclatuur en -classificatie volgen de IUBMB Enzyme Nomenclature, die deel uitmaakt van de International Union of Biochemistry and Molecular Biology (7 http://www.iubmb.org/). Na het eerste nummer in deze zogeheten EC-nomenclatuur volgt een tweede, derde en vierde nummer (subgroep, subsubgroep en serieel nummer van ontdekking). Alcoholdehydrogenase is bijvoorbeeld EC 1.1.1.1 (misschien een eerbetoon aan Louis Pasteur?) en carboxypeptidase A EC 3.4.17.1. Je kunt dit zelf nakijken op publiek toegankelijke gegevensbanken, zoals de proteoom database ExPASy (7 http://enzyme.expasy.org/EC/3.4.17.1). Deze indeling blijkt ook nuttig voor de voorspelling van de functie van nieuw ontdekte enzymen met een homologe structuur aan al geklasseerde enzymen (Syed & Yona, 2009). Wij zullen in het boek de namen van enzymen hanteren met afkortingen van de coderende genen in het menselijk genoom (7 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene). Enzymen kunnen, op basis van de chemische reactie die zij katalyseren, worden onderverdeeld in zes grote groepen. z

EC 1: Oxidoreductasen

Deze groep katalyseert oxidatie- en reductiereacties. Afhankelijk van de elektronenacceptor is er een aantal subgroepen: de dehydrogenasen hebben meestal NAD, NADP, FAD of cytochromen als elektronenacceptor. Lactaatdehydrogenase behoort tot deze groep. De oxygenasen geven elektronen af aan moleculair zuurstof. De oxygenasen worden verder onderverdeeld in mono- en di-oxygenasen. z

EC 2: Transferasen

De transferasen zijn enzymen die de overdracht van een bepaalde groep (bijvoorbeeld methyltransferasen, formyltransferasen, carboxyltransferasen, acyltransferasen, aminotransferasen)

1

38

1


van het ene molecuul naar het andere regelen. De donor van de transferasereactie treedt vaak op als cofactor van het enzym. De subgroepen van deze klasse worden bepaald door de aard van de overgedragen groep. Hexokinase is een voorbeeld: het draagt een fosfaatgroep van ATP over op glucose met vorming van glucose-6-fosfaat. Soms vormen dergelijke enzymen een tijdelijk covalent complex met de over te dragen groep:

S1 − x + enzym → S1 + enzym − x S2 + enzym − x → enzym + S2 − x ( = product ) z

EC 3: Hydrolasen

De hydrolasen zijn in feite ook transferasen, aangezien ze bepaalde groepen overdragen aan een watermolecuul. Ze worden echter als aparte groep geclassificeerd. Ze splitsen ester-, glycoside-, peptide- of andere covalente bindingen, waarbij de –OH- en –H-groepen van water aan beide uiteinden van het gesplitste molecuul komen te liggen. Belangrijke subgroepen zijn de peptidasen of proteasen, een omvangrijke familie van enzymen die peptidebindingen hydrolyseren (bijvoorbeeld trypsine en chymotrypsine). Verder zijn er de lipasen, die verantwoordelijk zijn voor de hydrolyse van esterbindingen in vetten, de sacharidasen, die de glycosidebindingen tussen suikerpolymeren verbreken, en de nucleotidasen (RNasen en DNasen), die verantwoordelijk zijn voor de splitsing van respectievelijk RNA en DNA tot vrije nucleotiden. Hier worden fosfaatesters verbroken. z

EC 4: Lyasen

De lyasen klieven of veranderen C-C-, C-N- en C-O-bindingen via andere mechanismen dan hydrolyse of oxidatie: a. eliminatie van groepen, waardoor er dubbele bindingen ontstaan; b. toevoegen van groepen, waardoor dubbele bindingen verdwijnen. Voorbeelden zijn decarboxylasen, aldolasen en synthasen. z

EC 5: Isomerasen

De isomerasen veroorzaken sterische veranderingen binnen het substraatmolecuul. Naargelang het type van sterische verandering spreekt men van racemasen, epimerasen, cis-trans-isomerasen en mutasen. z

EC 6: Ligasen

De ligasen (synthetasen) doen het omgekeerde van de hydrolasen: zij plakken de uiteinden van twee moleculen aan elkaar, waarbij er water vrijkomt. Vaak is bij dergelijke condensatie ATP betrokken. Dit wordt dan gesplitst in adenosinemonofosfaat (AMP) en pyrofosfaat (PPi). Dit laatste wordt dan nog verder gehydrolyseerd tot twee fosfaatmoleculen (2 Pi), om het reactieevenwicht in de richting van de synthese te schuiven. Naargelang het type binding dat wordt gevormd, onderscheidt men weer diverse subgroepen. Voorbeelden zijn: de RNA- en DNApolymerasen, de aminoacyl-tRNA-synthetasen, de acyl-CoA-synthetasen enzovoort.

Literatuur

39

Literatuur Boomkamp, S.D. & Butters, T.D. (2008). Glycosphingolipid disorders of the brain. Subcell. Biochem. 49, 441–467. Brites, P., Mooyer, P.A., El, M.L., Waterham, H.R. & Wanders, R.J. (2009). Plasmalogens participate in very-longchain fatty acid-induced pathology. Brain. 132, 482–492. Cavalier-Smith, T. (2002). The phagotrophic origin of eukaryotes & phylogenetic classification of Protozoa. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 52, 297–354. Cavalier-Smith, T. (2006). Rooting the tree of life by transition analyses. Biol. Direct. 1, 19. Delage, B. & Dashwood, R.H. (2008). Dietary manipulation of histone structure & function. Annu. Rev. Nutr. 28, 347–366. Ellis, L., Atadja, P.W. & Johnstone, R.W. (2009). Epigenetics in cancer: targeting chromatin modifications. Mol. Cancer Ther. 8, 1409–1420. Franklin, R.E. & Gosling, R.G. (1953). Molecular configuration in sodium thymonucleate. Nature. 171, 740–741. Gillum, M.P., Zhang, D., Zhang, X.M., Erion, D.M., Jamison, R.A., Choi, C., et al. (2008). N-acylphosphatidylethanolamine, a gut- derived circulating factor induced by fat ingestion, inhibits food intake. Cell. 135, 813–824. Gonda, K., Watanabe, T.M., Ohuchi, N. & Higuchi, H. (2010). In vivo nano-imaging of membrane dynamics in metastatic tumor cells using quantum dots. J. Biol. Chem. 285, 2750–2757. Granzier, H.L. & Labeit, S. (2004). The giant protein titin: a major player in myocardial mechanics, signaling & disease. Circ. Res. 94, 284–295. Guillemin, R. (2005). Hypothalamic hormones a.k.a. hypothalamic releasing factors. J. Endocrinol. 184, 11–28. Hoffmann, F.G., Opazo, J.C. & Storz, J.F. (2008). Rapid rates of lineage-specific gene duplication & deletion in the alpha-globin gene family. Mol. Biol. Evol. 25, 591–602. Hosoi, E. (2008). Biological & clinical aspects of ABO blood group system. J. Med. Invest. 55, 174–182. Lee, E.K. & Gorospe, M. (2009). Minireview: Posttranscriptional regulation of the insulin & insulin-like growth factor systems. Endocrinology. 151, 1403–8. Li, H. & Durbin, R. (2010). Fast & accurate long read alignment with Burrows-Wheeler transform. Bioinformatics. Maddox, B. (2003). The double helix & the ‘wronged heroine’. Nature. 421, 407–408. Mathers, J.C. & McKay, J.A. (2009). Epigenetics - potential contribution to fetal programming. Adv. Exp. Med. Biol. 646, 119–123. Meyer, T.E., Tollin, G. & Cusanovich, M.A. (1994). Protein interaction sites obtained via sequence homology. The site of complexation of elektron transfer partners of cytochrome c revealed by mapping amino acid substitutions onto three-dimensional protein surfaces. Biochimie. 76, 480–488. Nooijer S. de Holland B.R. & Penny D. (2009). The emergence of predators in early life: there was no Garden of Eden. PLoS. One. 4, e5507. Sanger, F. (1988). Sequences, sequences & sequences. Annu. Rev. Biochem. 57, 1–28. Sanger, F. (2001). The early days of DNA sequences. Nat. Med. 7, 267–268. Singer, S.J. & Nicolson, G.L. (1972). The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science. 175, 720–731. Smith, B.C. & Denu, J.M. (2009). Chemical mechanisms of histone lysine & arginine modifications. Biochim. Biophys. Acta. 1789, 45–57. Storry, J.R. & Olsson, M.L. (2009). The ABO blood group system revisited: a review & update. Immunohematology. 25, 48–59. Syed, U. & Yona, G. (2009). Enzyme function prediction with interpretable models. Methods Mol. Biol. 541, 373–420. Tokuda, G. & Watanabe, H. (2007). Hidden cellulases in termites: revision of an old hypothesis. Biol. Lett. 3, 336–339. Wang, F., Li, F., Chen, G. & Liu, W. (2009). Isolation & characterization of novel cellulase genes from uncultured microorganisms in different environmental niches. Microbiol. Res. 164, 650–657. Watson, J.D. & Crick, F.H. (1953a). Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature. 171, 964–967. Watson, J.D. & Crick, F.H. (1953b). Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 171, 737–738.

1

1.2.1 Monosachariden en disachariden Polysachariden Glycosaminoglycanen Complexe suikers van de celmembraan 10

Recommend Documents