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

Transcriptie

1 1 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 Koolhydraten (suikers) Monosachariden en disachariden Polysachariden Glycosaminoglycanen Complexe suikers van de celmembraan Lipiden (vetten) Vetzuren maken esterbindingen Glycolipiden Overige lipiden Aminozuren, peptiden en proteïnen (eiwitten) Polaire en apolaire zijketens Peptidebinding Primaire eiwitstuctuur en structuurhomologie 23

2 1.5 Basen, nucleotiden en nucleïnezuren Dubbele helixstructuur Enzymen zijn de katalysatoren van het metabolisme Classificatie van enzymen 37 Literatuur 39

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.

4 4 Hoofdstuk 1 1. Tabel 1.1 De belangrijkste koolhydraten. Soort Monosachariden glyceraldehyde en dihydroxyaceton ribose, desoxyribose glucose, galactose, fructose disachariden sucrose, lactose maltose 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); Polysachariden glycogeen/zetmeel cellulose/chitine glycosaminoglycanen (heparine, chondroïtinesulfaat, kerataansulfaat, dermataansulfaat, hyaluronzuur onderdeel van proteoglycanen) Functie(s) metabolisme (als fosfaatderivaten) bouwstenen van RNA, DNA en nucleotiden belangrijke brandstoffen voor het metabolisme voedingsstoffen (tafelsuiker, melksuiker) splitsingsproduct van zetmeel talrijke functies glucosepolymeer (reserve in dieren/planten) celwand (planten)/exoskelet (insecten/schaaldieren) 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 Monosachariden en disachariden De naam koolhydraten is afgeleid van de vereenvoudigde stoichiometrie (CH 2 O) 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 D- mannose. 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).

6 6 Hoofdstuk 1 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 ), 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 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 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.

8 8 Hoofdstuk 1 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 ( SO 3 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 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.

10 10 Hoofdstuk 1 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 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.

11 1.3 t -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 12 Hoofdstuk 1 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 ( ). 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) Verzadigde vetzuren CH 3 (CH 2 ) 12 COO C14 tetradecanoaat (myristaat) 54 CH 3 (CH 2 ) 14 COO C16 hexadecanoaat (palmitaat) 63 CH 3 (CH 2 ) 16 COO C18 octadecanoaat (stearaat) 70 CH 3 (CH 2 ) 18 COO C20 eicosanoaat (arachidaat) 77 CH 3 (CH 2 ) 20 COO C22 docosanoaat (behenaat) 82 Onverzadigde vetzuren CH 3 (CH 2 ) 5 CH=CH(CH 2 ) 7 COO C16 cis-9-hexadecanoaat (palmitoleaat) 0 CH 3 (CH 2 ) 7 CH=CH(CH 2 ) 7 COO C18 cis-9-octadecanoaat (oleaat) 16 CH 3 (CH 2 ) 4 (CH=CHCH 2 ) 2 (CH 2 ) 6 COO C18 cis,cis-9,12-octadecadiënaat* 5 CH 3 CH 2 (CH=CHCH 2 ) 3 (CH 2 ) 6 COO C18 all-cis-9,12,15-octadecatriënaat** 11 CH 3 (CH 2 ) 4 (CH=CHCH 2 ) 4 (CH 2 ) 2 COO C20 all-cis-5,8,11,14-eicosatetraenaat*** 50 * = 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 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

14 14 Hoofdstuk 1 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 fosfatidylethanolamine fosfatidylserine fosfatidylinositol sfingomyeline glycolipiden cholesterol andere lipiden * * 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 en 7 par ). 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) 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

16 16 Hoofdstuk 1 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.

18 18 Hoofdstuk 1 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 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 ). 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 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).

20 20 Hoofdstuk 1 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 ). 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 21 ste bouwsteen, die in een vrij klein aantal peptiden in beperkte mate wordt gebruikt (7 par ). 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.