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

Lesmateriaal - Campbell, N.A.; Reece, J. B.: Biology, (ninth edition) - McMurry, J.A.; Fay, R. C.: Chemistry, sixth edition Module BCM21 (med.hro.nl/SchrB/BCM21) Internetsites

College 1 Aminozuren Peptiden Eiwitten

Locatie van DNA, RNA en eiwit in de cel

Opbouw van een Aminozuur Rest groep α C-atoom Amino groep Carboxyl groep

Aminozuren (1) Indeling op basis van restgroep (zijketen): 20 verschillende aminozuren te onderscheiden in onze eiwitten Indeling op basis van restgroep (zijketen): 15 AZ met een neutrale zijketen (polair of apolair) 2 AZ met carboxylzure groep in zijketen (zure AZ) 3 AZ met aminegroep in zijketen (basische AZ) Naamgeving: triviale naam, 3-lettercode en 1-lettercode

Aminozuren met polaire restgroep Serine (Ser or S) Threonine (Thr or T) Cysteine (Cys or C) Tyrosine (Tyr or Y) Asparagine (Asn or N) Glutamine (Gln or Q)

Aminozuren met apolaire restgroep Glycine (Gly or G) Alanine (Ala or A) Valine (Val or V) Leucine (Leu or L) Isoleucine (Ile or I) Methionine (Met or M) Phenylalanine (Phe or F) Tryptophan (Trp or W) Proline (Pro or P)

Aminozuren met negatief geladen restgroep (polair) Zure aminozuren Aspartic acid (Asp or D) Glutamic acid (Glu or E) Asparaginezuur Glutaminezuur

Aminozuren met positief geladen restgroep (polair) Basische aminozuren Lysine (Lys or K) Arginine (Arg or R) Histidine (His or H)

Aminozuren (2) 11 van de 20 aminozuren kan ons lichaam zelf maken 9 van de 20 aminozuren moeten via voeding worden aangeleverd, de “essentiële” aminozuren genoemd: Val, Ile, Leu, Met, Phe, Trp, Thr, Lys en His

Gemodificeerde residuen van algemene aminozuren Naast de 20 algemeen voorkomende aminozuren bestaan er ook modificaties van deze aminozuren. Ook deze gemodificeerde aminozuren kunnen aanwezig zijn in eiwitten

Bijzondere aminozuren (1) lysine

Bijzondere aminozuren (2)

Bijzondere aminozuren (3) lysine

Bijzondere aminozuren (4) Daarnaast meer dan 300 andere aminozuren gevonden in cellen welke niet voorkomen in eiwitten maar wel een belangrijke functie hebben in deze cellen.

Chiraliteit Alle aminozuren, behalve glycine, hebben een asymmetrisch centrum: het α koolstofatoom (een chiraal koolstof atoom) α C-atoom

Chiraliteit D- en L-alanine zijn enantiomeren van elkaar. Figure: 24-03 Title: Molecular Handedness Caption: Figure 24.3  Alanine (2-aminopropanoic acid) has no symmetry plane and can therefore exist in two forms—a “right-handed” form and a “left-handed” form. Propane, however, has a symmetry plane and is achiral. D- en L-alanine zijn enantiomeren van elkaar.

Chiraliteit Figure: 24-04 Title: Enantiomers Caption: Figure 24.4  A molecule with a carbon atom that is bonded to four different groups is chiral and is not identical to its mirror image. It thus exists in two enantiomeric forms. Enantiomeren zijn stereoisomeren die elkaars spiegelbeeld zijn!!! Stereoisomeren zijn isomeren met dezelfde atoomverbindingen maar met een verschillende rangschikking van de atomen in de ruimte

Chiraliteit Figure: 24-04-01UN Title: Chiral Amino Acids Caption: Nineteen of the twenty common amino acids are chiral because they have four different groups bonded to the alpha carbon. Only glycine is achiral since it has two hydrogens attached to the alpha carbon and would have a plane of symmetry.

Vorming van een peptideband tussen aminozuren bond Zijketens (side chains) Ruggegraat (backbone) Serine Tyrosine Cysteine

Vorming van een peptideband tussen aminozuren Nieuw gevormde peptide band (amide band) Amino uiteinde N-terminus Carboxy uiteinde C-terminus

Peptiden (1) Dipeptide : AZ-AZ Tripeptide : AZ-AZ-AZ Polypeptide : < 100 AZ Eiwit : ≥ 100 AZ

Biologisch actieve peptiden L-Aspartyl-L-phenylalanine methyl ester (Aspartaam, zoetstof) Tyr-Gly-Gly-Phe-Met (Met-enkephalin, neuropeptide (endorfine)) Carbon Nitrogen Hydrogen Sulfur Oxygen

Eiwit (“protein”) “Protein” is afgeleid van het griekse woord “proteios” wat primair betekent van primair belang voor alle levende organismen vormen 50% van lichaamsdrooggewicht meer dan 100.000 verschillende soorten eiwitten in ons lichaam - een polymeer van aminozuren (≥ 100 AZ) de vele verschillende combinaties en volgordes van aminozuren zorgen voor de eigenschappen en biologische activiteit van de eiwitten

Eiwit structuren Primary Structure Secondary Structure Tertiary Quaternary Structure  pleated sheet +H3N Amino end Examples of amino acid subunits  helix

Primaire structuur van eiwitten Tijdens het translatieproces vormt zich de primaire structuur van het eiwit +H3N COO -

Secundaire structuur van eiwitten De N-Cα en de Cα-C bindingen kunnen roteren binnen een polypeptide keten

Secundaire structuur van eiwitten - α-helix - β-vouwblad structuur (β plated sheat) - β-lus Ongeordende struktuur (random coil)

Secundaire structuur van eiwitten (1) α-helix (Pauling en Corey) - ontstaat door H-bruggen tussen elke 4de aminozuur staafvormig (links (komt zelden voor) en rechts draaiend); ingedraaid De primaire polypeptideketen is longitudinaal om een imaginaire as gedraaid, waarbij de R-groepen naar buiten steken 0,54 nm

Secundaire structuur van eiwitten (1) Figure: 24-07 Title: Secondary Protein Structure Caption: Figure 24.7  The a-helical secondary structure of keratin. The amino acid backbone winds in a right-handed spiral, much like that of a telephone cord. 25% van alle aminozuren is onderdeel van een α-helix Keratine (in wol, haar, nagels) bestaat hoofdzakelijk uit α-helices

Secundaire structuur van eiwitten (2) β-vouwblad structuur - ontstaat door H-bruggen tussen naburige ketens uitgerekte vorm onderscheiden: Antiparallel (tegengesteld) parallel (gelijkgericht) Fibrine (in zijde) is opgebouwd uit β-vouwbladen

Secundaire structuur van eiwitten (3) β-lus (draai) Hairpin draai ( 4 AZ , 180o) - C=O groep van AZn vormt H-brug met -NH groep van AZn+3 - anti-parallele β-strengen kunnen op deze wijze met elkaar verbonden worden

Zijketens van AZ die secundaire structuur beïnvloeden (1) - Knik in - helix : proline, hydroxyproline - Destabilisatie -helix : Glu, Asp, Lys, Arg, Gly, Ser, Ile, Thr - Stabilisatie -vouwblad: Gly, Ala - Destabilisatie -vouwblad: Phe, Tyr, Glu, Lys

Zijketens van AZ die secundaire structuur beïnvloeden (2) Proline Glycine Proline komt vaak als cis-vorm in bochten voor omdat deze automatisch een scherpe knik vormt. De N in proline is onderdeel van een ringstructuur en is draaiing rond de N-Cα as niet mogelijk, waardoor proline zelden is te vinden in α-helices Glycine heeft meer flexibiliteit dan andere aminozuren waardoor glycine polymeren neigen naar een ander soort helische structuur. Hierdoor is ook glycine zelden te vinden in α-helices

Tertiare structuur van eiwitten Het resultaat van interacties tussen de zijketens van de verscheidene aminozuren: - hydrofobe interactie tussen AZ met apolaire zijketens (v.d. Waalskrachten) - H-bruggen tussen AZ met polaire zijketens - ionbruggen tussen AZ met positief en negatief geladen zijketens - disulfide bruggen (covalente banden) tussen cysteine monomeren De tertiaire structuur levert de overall conformatie van een polypeptide Eiwitten onder te verdelen in: - bolvormig (globular) - vezelvormig (fibrous)

Type interacties in tertiare structuur van eiwitten Fig. 5-21f Type interacties in tertiare structuur van eiwitten

Tertiare structuur van eiwitten Figure: 24-09 Title: Myoglobin Caption: Figure 24.9  Secondary and tertiary structure of myoglobin, a globular protein found in the muscles of sea mammals. Myoglobin has eight helical sections. Myoglobine (in skeletspieren van zee zoogdieren), 153 AZ, 8 α-helices, bolvormig (globulair) , zuurstof opslag

Quaternaire structuur van eiwitten Een functioneel eiwit kan uit 2 of meerdere polypeptideketens (subeenheden, subunits) bestaan. Door interacties tussen de zijketens van aminozuren uit de subeenheden wordt de quaternaire structuur gevormd. Hemoglobine 4 polypeptideketens: 2 2

Wat bepaalt de uiteindelijke (natieve) eiwit conformatie De aminozuursequentie (de primaire structuur) bepaalt waar de α-helix, het β vouwblad, de disulfide bruggen etc. zich kunnen vormen

Denaturatie van eiwitten (1) Een eiwit kan ontvouwen (denatureren) bij: hoge temperatuur: - sterkte waterstofbruggen neemt af - hydrofobe interacties nemen toe tot 60°C, daarboven blijven ze gelijk - hoge of lage pH - hoge concentraties ureum of guanidine - apolaire oplosmiddelen

Denaturatie van eiwitten (2) Bij denaturatie verliest het natieve eiwit haar quaternaire (indien van toepassing), tertiaire en secundaire structuur en daarmee haar biologische activiteit. (let op voor hoge koorts!) De primaire structuur van het eiwit blijft bij denaturatie intact Denaturatie is meestal irreversibel, heel soms reversibel

Denaturatie en renaturatie van eiwitten (1) Denaturation Normal protein Denatured protein Renaturation

Denaturatie en renaturatie van eiwitten (2) Experiment door Anfinsen Eiwit: Ribonuclease 1 2 Natief, katalytisch actief ontvouwen, inactief natief, katalytisch actief 1: toevoeging ureum of beta-mercaptoethanol 2: verwijderen ureum of beta-mercaptoethanol

Eiwitvouwing: Chaperonines Chaperonines (chaperon eiwitten) assisteren andere eiwitten om correcte vouwing aan te nemen