Biochemie 2 BCM21 BML Docenten: dr. E. van der Linden, dr. K. Langereis en dr. B. Schrammeijer

College 2 Eiwitten: Functies (in relatie tot structuur) secundaire structuren, motieven en domeinen Stofwisseling (metabolisme) Energie huishouding

Biologische functies van eiwitten 3

Eiwit structuren: vb. Transthyretine Globulair transport eiwit Aanmaak in de lever afgifte aan het bloed Transporteert thyroxine (thyroid hormoon) en retinol (vitamine A) via het bloed naar de rest van het lichaam Homo tetrameer: 4 identieke polypeptide ketens van 127 aminozuren lang Bevat 2 bindingsplaatsen ( )

Biologische functies van eiwitten (vervolg) 5

Eiwit structuren: Transthyretine Primaire structuur

Eiwit structuren: Transthyretine Quaternaire structuur Secundaire structuren Tertiaire structuur

Bolvormige eiwitten (globular) In de rode bloedcellen: Hemoglobine β subeenheid α subeenheid α subeenheid β subeenheid Fe Haem

Secondary and Tertiary Structures Sickle-cell hemoglobin Primary Structure Quaternary Structure Red Blood Cell Shape Function Normal hemoglobin Molecules do not associate with one another; each carries oxygen. 1 2 3 4 Normal hemoglobin 5   subunit  10 m 6 7   Exposed hydrophobic region Sickle-cell hemoglobin Molecules crystallize into a fiber; capacity to carry oxygen is reduced. 1 2 Figure 5.21 A single amino acid substitution in a protein causes sickle-cell disease. 3 4 Sickle-cell hemoglobin 5  6  10 m  subunit 7  

Eiwit structuren: hemoglobine effect mutatie In de primaire structuur is een Glu omgezet in een Val Deze aminozuurverandering is het gevolg van 1 andere nucleotide in het DNA.

Sickle cell anemie Homozygoot/ heterozygoot http://www.dnalc.org/resources/3d/17-sickle-cell.html

Vezelvormige eiwitten (fibrous) α-Keratine komt voor in haren, nagels, veren,….. vormt onoplosbare, trekvaste draden permanent en watergolven

Vezelvormige eiwitten (fibrous) Collageen (‘lijmvormer’) meest voorkomende eiwit (25 % van alle eiwit) in dieren 19 verschillende typen collagenen bekend (type I, II, III etc) typen I, II en III vormen 90% van alle collagenen vormt onoplosbare, trekvaste draden vooral in huid, botten, kraakbeen, tanden en pezen koken van collageen levert als afbraakproduct: gelatine

Structuur van collageen 3 lange helische polypeptideketens (α-ketens: α1 tot α3 met subtypen) (α- keten = linkshandig, 3 aminozuren per draai) (a en b), tripelhelix: 3 α-ketens draaien rechtshandig om elkaar en vormen een superhelische kabelstructuur vormen (c)

Vorming van collageenvezel

Aminozuursamenstelling van collageen In AZ sequentie wordt triplet Gly-X-Y steeds herhaald. Elk derde AZ is een Glycine. De tripelhelix structuur bezit een zeer grote dichtheid: er is in de inwendige positie alleen ruimte voor Glycine. Op positie X en Y vaak een proline Op positie Y soms een 4-hydroxyproline (4Hyp), een 3-hydroxyproline (3Hyp) of een 5-hydroxylysine (5Hyl). - Pro en Hyp zijn belangrijk voor de scherpe draaiing van de collageenhelix 5-Hydroxylysine

Aminozuur sequentie Collageen COL2A1 [Homo sapiens] GPKGPPGPGGPAG 1 mirlgapqsl vlltllvaav lrcqgqdvrq pgpkgqkgep gdikdivgpk gppgpqgpag 61 eqgprgdrgd kgekgapgpr grdgepgtpg npgppgppgp pgppglggnf aaqmaggfde 121 kaggaqlgvm qgpmgpmgpr gppgpagapg pqgfqgnpge pgepgvsgpm gprgppgppg 181 kpgddgeagk pgkagergpp gpqgargfpg tpglpgvkgh rgypgldgak geagapgvkg 241 esgspgengs pgpmgprglp gergrtgpag aagargndgq pgpagppgpv gpaggpgfpg 301 apgakgeagp tgargpegaq gprgepgtpg spgpagasgn pgtdgipgak gsagapgiag 361 apgfpgprgp pgpqgatgpl gpkgqtgepg iagfkgeqgp kgepgpagpq gapgpageeg 421 krgargepgg vgpigppger gapgnrgfpg qdglagpkga pgergpsgla gpkgangdpg 481 rpgepglpga rgltgrpgda gpqgkvgpsg apgedgrpgp pgpqgargqp gvmgfpgpkg 541 angepgkage kglpgapglr glpgkdgetg aagppgpagp agergeqgap gpsgfqglpg 601 ppgppgeggk pgdqgvpgea gapglvgprg ergfpgergs pgaqglqgpr glpgtpgtdg 661 pkgasgpagp pgaqgppglq gmpgergaag iagpkgdrgd vgekgpegap gkdggrgltg 721 pigppgpaga ngekgevgpp gpagsagarg apgergetgp pgpagfagpp gadgqpgakg 781 eqgeagqkgd agapgpqgps gapgpqgptg vtgpkgarga qgppgatgfp gaagrvgppg 841 sngnpgppgp pgpsgkdgpk gargdsgppg ragepglqgp agppgekgep gddgpsgaeg 901 ppgpqglagq rgivglpgqr gergfpglpg psgepgkqga pgasgdrgpp gpvgppgltg 961 pagepgrqgs pgadgppgrd gaagvkgdrg etgavgapgt pgppgspgpa gptgkqgdrg 1021 eagaqgpmgp sgpagargiq gpqgprgdkg eagepgergl kghrgftglq glpgppgpsg 1081 dqgasgpagp sgprgppgpv gpsgkdgang ipgpigppgp rgrsgetgpa gppgnpgppg 1141 ppgppgpgid msafaglgpr //

Ontdekkingsreizen, scheurbuik en ……………..

Ontdekkingsreizen, scheurbuik en ………..

Scheurbuik, vitamine C en ……………………. Collageen Scheurbuik wordt veroorzaakt door een gebrek aan vitamine C Vit C is een belangrijke cofactor in een enzym dat o.a. zorgt voor de hydroxylering van proline (prolyl 4-hydroxylase) Hydroxy proline in de Y positie is weer belangrijk voor de stabiliteit van de collageen-helix Bij scheurbuik wordt collageen afgebroken en krijg je dunne Bloedvatwanden, tanduitval, slechte wondgenezing etc.

Motieven in eiwitten (1) Motief: een herkenbaar vouwingspatroon wat bestaat uit twee of meer elementen van secundaire structuur inclusief verbindingsstuk

Motieven in eiwitten (2)

Domeinen in eiwitten Domein: een gedeelte van het polypeptide (eiwit) dat stabiel is onafhankelijk van de rest van het eiwit en onafhankelijke bewegingen kan maken Het eiwit troponine C, geassocieerd met de spier, heeft twee afzonderlijke calcium-bindingsdomeinen (Nelson and Cox, 2008)

Eiwit structuren: internet programma www.molmovdb.org/cgi-bin/browse.cgi

Energiehuishouding in levende organismen

Energiehuishouding (1) Alle chemische reacties in levende organismen vormen samen het metabolisme: Katabolisme of afbraak routes leveren meestal energie op Anabolisme of opbouw routes kosten meestal energie Energie is de capaciteit om iets te veranderen of… het vermogen om arbeid te verrichten. Er zijn verschillende vormen van energie

Metabolisme Anabolisme Katabolisme Chemische energie Cel macromoleculen Eiwitten Polysacchariden Vetten Nucleinezuren Energie bevattende nutrienten Koolhydraten Vetten Eiwitten ADP + HPO42- NAD+ NADP+ FAD Anabolisme Katabolisme ATP NADH NADPH FADH2 Precursor moleculen: Aminozuren Suikers Vetzuren Nitrogene basen Eindproducten CO2 H2O NH3 Chemische energie

Energiehuishouding (2) Kinetische energie beweging van objecten; kost meestal energie Warmte (thermische energie) is kinetische energie geassocieerd met willekeurige beweging van atomen of moleculen Potentiële energie (alles behalve kinetische energie) energie opgeslagen in materie of stof waarmee arbeid kan worden verricht Chemische energie (potentiële energie) energie die vrijkomt bij omzetting stof, energie die gestoken wordt in het maken van een stof

A diver has more potential energy on the platform than in the water. Diving converts potential energy to kinetic energy. Figure 8.2 Transformations between potential and kinetic energy. Climbing up converts the kinetic energy of muscle movement to potential energy. A diver has less potential energy in the water than on the platform.

Bij de energiehuishouding speelt de thermodynamica een rol (1) Levende organismen zijn dus eigenlijk energietransformers. We zetten de ene vorm om in de andere. In de thermodynamica gaat het om energietransformaties in systemen Eerste hoofdwet: Voor elke fysische of chemische verandering blijft de totale hoeveelheid energie in het systeem + omgeving (=universum) constant Energie kan worden overgedragen of van vorm veranderen maar er gaat geen energie verloren en er wordt geen nieuwe energie gevormd Tweede hoofdwet: Bij elke energie overdracht of transformatie blijkt een deel van de energie niet meer beschikbaar te zijn voor arbeid. Als gevolg hiervan neemt de entropie (wanorde) van het universum toe

Bij de energiehuishouding speelt de thermodynamica een rol (2) Een cel staat in open verbinding met het universum, vertegenwoordigt een open systeem Bij de afgifte van energie wordt de entropie groter De ordening in een cel is groter dan die van de omgeving; de entropie is dus lager dan die van de omgeving Bij het maken van stoffen wordt de entropie kleiner Deze lagere entropie kan gehandhaafd blijven; dit kost energie

Alle levende organismen hebben een energiebron nodig Zonlicht òf Energie opgesloten in chemische verbindingen 1ste hoofdwet 2e hoofdwet

Ordening levende organismen volgens de gebruikte energiebron

De Gibbse energieverandering in een systeem Hoe kunnen we nu energie in getallen uitdrukken? 1878: meneer Gibbs: De Gibbs energie is de hoeveelheid energie die arbeid kan verrichten (bij constante temperatuur en druk) = de vrije energie De verandering in Gibbs’ energie door chemische reacties wordt gegeven door de formule: ΔG = G eind – Gbegin = ΔH – TΔS ΔG = Verschil tussen de energieniveaus van begin- en eindproduct maatstaf voor de drijfkracht van de reactie

Het verband tussen Gibbs energie en stabiliteit van een systeem - Als in een systeem een reactie spontaan verloopt, (ΔG is negatief), is het systeem na afloop van de reactie stabieler geworden. Het bevat minder energie!! - Als een systeem de maximale stabiliteit heeft verkregen, dan is evenwicht bereikt

Exergone en endergone reacties De Gibbs energie verandering (ΔG) bij exergone en endergone reacties:

Evenwicht en arbeid in een gesloten en in een open systeem De cel is te vergelijken met een Open systeem. Als delta G is 0, dan is de cel dood!!!

Drie soorten arbeid in een cel a) Mechanisch: voortbeweging, contractie spieren, chromosoom verdeling bij celdeling enz. b) Transport het in- en uitpompen van stoffen tegen een concentratie gradiënt in c) Chemische arbeid het laten gebeuren van endergone reacties, die anders nooit spontaan zouden verlopen (zoals het maken van polymeren uit monomeren). De benodigde energie wordt overgedragen door ATP

Het ATP molecuul ATP + H2O ADP + Pi + 7,3 kcal/mol Deze reactie wordt een hydrolyse genoemd Het is gunstig om een P af te splitsen: er zitten 3 min-ladingen vlak bij elkaar!!!

Protein and vesicle moved Transport protein Solute ATP ADP P i P P i Solute transported (a) Transport work: ATP phosphorylates transport proteins. Vesicle Cytoskeletal track ATP ADP P i Motor protein Protein and vesicle moved (b) Mechanical work: ATP binds noncovalently to motor proteins and then is hydrolyzed.

Energiekoppeling - Koppeling van een exergone reactie aan een endergone reactie - In de meeste gevallen is de exergone reactie de hydrolyse van een (of twee) fosfaat eenheden van adenosine trifosfaat (ATP) -In de cel kosten veel reacties minder energie dan 7,3 kcal/mol!!!!

Phosphorylated intermediate Glutamic acid conversion to glutamine (a) NH3 NH2 GGlu = +3.4 kcal/mol Glu Glu Glutamic acid Ammonia Glutamine (b) Conversion reaction coupled with ATP hydrolysis NH3 1 P 2 ADP NH2 ADP ATP P i Glu Glu Glu Glutamic acid Phosphorylated intermediate Glutamine GGlu = +3.4 kcal/mol (c) Free-energy change for coupled reaction Figure 8.9 How ATP drives chemical work: Energy coupling using ATP hydrolysis. NH3 NH2 ATP ADP P i Glu Glu GGlu = +3.4 kcal/mol GATP = 7.3 kcal/mol + GATP = 7.3 kcal/mol Net G = 3.9 kcal/mol

Regeneratie van ATP ATP H2O ATP kan ook weer gemaakt worden uit ADP. Per seconde wordt ATP (of terug) 10 x 106 keer omgezet!!!!!!!!!! ATP H2O Energy from catabolism (exergonic, energy-releasing processes) Energy for cellular work (endergonic, energy-consuming processes) ADP P i

Oplossen van NaCl in water (exergone reactie) 1 mol NaCl weinig wanorde Systeem neemt warmte op ΔH>0 1 mol Na+ en 1 mol Cl- wanorde neemt toe in systeem ΔS>0 ΔG = ΔH - T ΔS ΔG= +3.8 - 12.8 ΔG = - 9.0 kJ/mol Reactie verloopt spontaan

De Gibbse energieverandering in een systeem ΔG < 0 reactie verloopt spontaan (exergonisch) ΔG = 0 evenwicht ΔG > 0 reactie verloopt niet spontaan, toevoer van vrije energie nodig (endergonisch) Denk hierbij aan (bio)chemische reacties: het maken of verbreken van bindingen tussen atomen of moleculen Soms kan bij ΔH>0 een verandering in een systeem toch plaatsvinden bij toename van de entropie (=wanorde) van het systeem vb. het oplossen van zout (NaCl) in water: het mengsel heeft warmte verloren, maar de entropie is toegenomen. (hierbij worden echter geen bindingen gemaakt of verbroken!)

De Gibbse energieverandering in een systeem Gibbs-Helmholtz vgl: ΔG = ΔH - T ΔS (constante druk en temp (in Kelvin)) ΔH = enthalpie verandering: maat voor de warmte afgifte ΔH<0 exotherme reactie systeem verliest warmte ΔH>0 endotherme reactie systeem neemt warmte op ΔS = entropieverandering: maat voor de wanorde in een systeem ΔS<0 afname van wanorde in een systeem (kost energie) ΔS>0 toename van wanorde in een systeem