Biologie-Kennis.nl

 

 

De structuur en functie van grote biologische moleculen.

De moleculen van het leven

Gezien de grote complexiteit van het leven op aarde zou je verwachten dat organismen een enorme verscheidenheid van moleculen hebben. Opmerkelijk is echter dat er maar vier klassen van cruciaal belang zijn voor organismen van bacteriën tot olifanten: koolhydraten, vetten, eiwitten en nucleïnezuren. Op de moleculaire schaal zijn de leden van drie van deze klassen moleculen enorm: koolhydraten, eiwitten en nucleïnezuren en zijn dus macromoleculen. Een eiwit kan bestaan uit duizenden atomen die een moleculaire kolos vorm met een massa van ruim 100.000 dalton. Gezien de omvang en de complexiteit van macromoleculen, is het opmerkelijk dat biochemici zon gedetailleerde structuur van hen hebben bepaald. De architectuur van een grote biologische moleculen helpt ons begrijpen hoe dat molecuul werkt. Net als water en eenvoudige organische moleculen, vertonen grote biologische moleculen ook unieke eigenschappen die voortvloeien uit de ordelijke rangschikking van de atomen. In dit hoofdstuk zullen we eerst nagaan hoe macromoleculen worden gebouwd. Dan zullen we de structuur en functie van alle vier klassen van de grote biologische moleculen bestuderen: koolhydraten, vetten, eiwitten en nucleïnezuren.

Macromoleculen zijn polymeren opgebouwd uit monomeren

De macromoleculen in drie van de vier klassen van organische verbindingen in het leven: koolhydraten, eiwitten en nucleïnezuren zijn kettingachtige moleculen genaamd. Een poIymer is een lang molecuul, bestaande uit vele soortgelijke of identieke bouwstenen met elkaar verbonden door covalente bindingen, net als een trein bestaat uit een keten van wagons. De herhaling van eenheden die dienen als de bouwstenen van een polymeer zijn kleinere moleculen genoemd monomeren. Sommige van de moleculen die dienen als monomeren hebben ook andere functies van hun eigen soort.

De synthese en afbraak van Polymeren.

De klassen van polymeren verschillen in de aard van hun monomeren, maar de chemische mechanismen waarmee cellen de polymeren maken en breken zijn in principe hetzelfde in alle gevallen. Monomeren zijn verbonden door een reactie waarbij twee moleculen covalent aan elkaar zijn verbonden door het verlies van een watermolecuul, dit staat bekend als een condensatie reactie, in het bijzonder een uitdrogings reactie, want water is de molecule die verloren is gegaan (figuur 5.2a). Wanneer een band gevormd word tussen twee monomeren, draagt elke monomeer een deel van het water molecuul dat verloren is gegaan: Een molecuul zorgt voor een hydroxylgroep (-OH), terwijl de andere voorziet in een waterstof (-H). Deze reactie kan worden herhaald als monomeren worden toegevoegd aan de keten voor het maken van een polymeer. Het uitdroging proces wordt vergemakkelijkt door enzymen, gespecialiseerde macromoleculen die de snelheid van chemische reacties in cellen vergroten. Polymeren zijn op te breken in monomeren door hydrolyse, een proces dat in wezen het omgekeerde van de uitdroging is. Hydrolyse betekent breken met behulp van water. Bindingen tussen de monomeren worden gebroken door de toevoeging van water moleculen. Met een waterstof uit water dat verbonden is aan een monomeer en een hydroxyle -groep die verbonden zijn aan de aangrenzende monomeer. Een voorbeeld van hydrolyse werking binnen ons lichaam is het proces van de spijsvertering. Het grootste deel van het organisch materiaal in ons voedsel is in de vorm van polymeren die veel te groot zijn om onze cellen binnen te kunnen. Binnen het maag-darmkanaal, zijn verschillende enzymen die een aanval op de polymeren doen, deze enzymen versnellen hydrolyse. De vrijgegeven monomeren worden vervolgens opgenomen in de bloedbaan voor distributie naar alle lichaamscellen. Deze cellen kunnen ze vervolgens gebruiken door uitdroging reacties op de monomeren toe te passen om ze naar nieuwe verschillende polymeren om te zetten die de cel kan gebruiken.

De Diversiteit van Polymeren

Elke cel heeft duizenden verschillende soorten macromoleculen, de collectie varieert van type per cel zelfs in hetzelfde organisme. De zichtbare en onzichtbare verschillen tussen mens, broers en zussen weerspiegelen variaties in polymeren, met name DNA en eiwitten. Moleculaire verschillen tussen niet-verbonden personen zijn verschillend en die tussen soorten is het verschil nog groter. De diversiteit van de macromoleculen in de levende wereld is enorm, en de mogelijke variëteit in feite onbegrensd. Wat is de basis voor een dergelijke diversiteit in polymeren van het leven? Deze moleculen zijn opgebouwd uit slechts 40 tot 50 gemeenschappelijke monomeren en enkele anderen die zelden optreden. Het bouwen van een grote verscheidenheid aan polymeren uit een zeer beperkt aantal van monomeren is analoog aan de bouw van honderdduizenden woorden

uit slechts 26 letters van het alfabet. De sleutel is de bijzondere opbouw.  Deze manier van kijken naar macromoleculen schiet te kort bij het beschrijven van de enorme diversiteit. Dit omdat de meeste biologische polymeren veel meer monomeren hebben dan het aantal letters in het langste woord. Eiwitten, bijvoorbeeld, zijn opgebouwd uit 20 soorten aminozuren gerangschikt in ketens die honderden aminozuren lang zijn. De moleculaire logica van het leven is eenvoudig maar elegant: kleine moleculen die in alle organismen zijn in volgorde in unieke macromoleculen.

Ondanks deze enorme diversiteit kan, moleculaire structuur en functie nog steeds gegroepeerd worden weergegeven per klasse. Laten we eens kijken op elk van de vier grote klassen van grote biologische moleculen. Voor elke klasse, hebben de grote moleculen belangrijke eigenschappen die niet gevonden zijn in hun individuele bouwstenen.

Koolhydraten zijn zowel bouwstenen als energie voor organismen.

Koolhydraten omvatten zowel suikers en polymeren van suikers. De eenvoudigste koolhydraten zijn de monosachariden, ook bekend als eenvoudige suikers. Disachariden zijn dubbele suikers, bestaande uit twee monosachariden suikers verbonden door een covalente binding. Koolhydraten zijn macromoleculen deze worden ook wel polysacchariden genoemd, polymeren samengesteld uit vele blokken suiker.

Suikers

Monosachariden zijn grotendeels opgebouwd uit een moleculaire formule die CH2O. Glucose (C6H1206), de meest voorkomende monosaccharide, is van centraal belang in de chemie van het leven. In de structuur van glucose kunnen we de handelsmerken van een suiker zien: Het molecuul heeft een carbonylgroep en meerdere hydroxylgroepen (-OH). Afhankelijk van de locatie van het carbonylgroep, is een suiker ofwel een aldose (aldehyde suiker) of een ketose (keton suiker). Glucose is bijvoorbeeld een aldose. Fructose een structureel isomeer van glucose, is een ketose. (De meeste namen voor suikers eindigen op -ose.) Een ander criterium voor de indeling van suikers is de grootte van het koolstofskelet, deze varieert van drie tot zeven koolstofskeletten lang. Glucose, fructose, en andere suikers, die zes koolstof atomen hebben noemen we Hexose. Trioses (drie-koolstof suikers) en pentoses (vijf-koolstof suikers) komen ook vaak voor. Een andere bron van de diversiteit voor enkelvoudige suikers is in de ruimtelijke ordening van hun onderdelen rond asymmetrie van de koolstof atomen. Glucose en galactose, bijvoorbeeld, verschillen alleen in de plaatsing van onderdelen ongeveer een asymmetrie koolstofskelet. Wat een klein verschil lijkt is belangrijk genoeg om de twee suikers te onderscheidende in vormen en gedrag. Hoewel het handig is om glucose te tekenen met een lineaire koolstofskelet, is deze voorstelling is niet helemaal juist.

 

In waterige oplossingen vormen glucose moleculen evenals de meeste andere suikers ringen Monosachariden, en vooral glucose, zijn belangrijke voedingsstoffen voor de cellen. In het proces dat bekend staat als cellulaire ademhaling, cellen halen energie uit een reeks van reacties te beginnen met glucose moleculen. Niet alleen zijn eenvoudige suiker moleculen een belangrijke brandstof voor cellulaire werk; hun koolstofskeletten dienen ook als grondstof voor de synthese van andere vormen van kleine organische moleculen, zoals aminozuren en vetzuren. Suiker moleculen worden niet onmiddellijk gebruikt in op deze manier en worden het algemeen opgenomen als monomeren in disacchariden of polysacchariden.

 

Een disaccharide bestaat uit twee monosachariden met een glycoside koppeling,  een covalente binding gevormd tussen twee monosachariden door een uitdrogings reactie. bijvoorbeeld maltose is een disacharide gevormd door de koppeling van twee moleculen van glucose. Ook bekend als malt suiker, is maltose een ingrediënt dat gebruikt wordt bij het brouwen van bier. De meest voorkomende disacharide is sacharose, dat is tafel suiker. Dit zijn twee monomeren glucose en fructose. Planten vervoeren over het algemeen koolhydraten in de vorm van sucrose, van de bladeren naar de wortelen en andere organen waar geen fotosynthese plaatsvindt. Lactose, de suiker aanwezig in melk, is een andere disacharide, de bestaat uit een glucose molecuul en een molecuul galactose.

 

Polysacchariden

Polysacchariden zijn macromoleculen, polymeren met een paar honderd tot een paar duizend monosachariden verbonden door glucosidebindingen. Sommige polysacchariden dienen als opslag van materiaal. Andere polysacchariden dienen als bouwmateriaal voor structuren die de cel of het hele organisme beschermen. De architectuur en de functie van een polysacchariden worden bepaald door haar suiker monomeren en door de standpunten van de glucosidebindingen.

Opslag Polysacchariden

Zowel de planten en dieren slaan suikers op in de vorm van opslag polysachariden. Planten slaan zetmeel op , een polymeer van glucose monomeren, als korrels binnenin cellulaire structuren bekend als plastiden, hieronder vallen ook chloroplasten. Door de synthese van zetmeel kan de plant het overschot aan glucose opslaan als voorraad. Omdat glucose een belangrijke cellulaire brandstof is, vertegenwoordigt zetmeel opgeslagen energie. De suiker kan later worden teruggetrokken uit deze koolhydraten "bank" door hydrolyse, waarbij de bindingen tussen de glucose-monomeren word gebroken. De meeste dieren, inclusief mensen, hebben ook enzymen die zetmeel kunnen hydrolyseren , waardoor glucose beschikbaar komt als voedingsstof voor cellen. Aardappelknollen en vruchten van tarwe, maïs , rijst en andere gras soorten zijn de grote bronnen van zetmeel in de menselijke voeding. De meeste van de monomeren glucose in zetmeel zijn verbonden door 1 to 4 koppelingen van koolstof, net als de glucose-eenheden in maltose. de hoek van deze bindingen maakt het polymeer helical. De eenvoudigste vorm van zetmeel, amylose, is onvertakte . Arnylopectin, een meer complexe zetmeel, is een vertakt polymeer met 16 verbindingen in de vertakking punten.

 

 

 

 

Dieren slaan een polysaccharide genaamd glycogeen op, een polymeer van glucose in net zoals amylopectine, maar meer uitgebreid vertakt. Mensen en andere gewervelde dieren slaan voornamelijk glycogeen op in de lever en spiercellen. Hydrolyse van glycogeen in deze cellen zorgt voor het vrijkomen van glucose wanneer de vraag naar suiker toeneemt. Deze opgeslagen brandstof kan het dier niet lang bevoorraden van energie. Bij de mens bijvoorbeeld zijn glycogeenvoorraden uitgeput in ongeveer een dag, tenzij ze worden aangevuld door de consumptie van voedsel. Dit is een punt van zorg in lage koolhydraat diëten.

 

 

 

 

 

Structurele Polysacchariden

Organismen bouwen sterke materialen van structurele polysacchariden, bijvoorbeeld de polysaccharide genaamd cellulose is een belangrijk onderdeel van de celwanden die plantencellen omsluiten. Op een wereldwijde schaal, produceren planten bijna 1014 kg (100 miljard ton) cellulose per jaar, het is de meest voorkomende organische stof op aarde. Net als zetmeel, is cellulose een polymeer van glucose. Maar de glucoside bindingen in deze twee polymeren verschillen. Het verschil is gebaseerd op het feit dat er eigenlijk twee enigszins verschillende ringstructuren voor glucose zijn. Wanneer glucose een ring vormt is de hydroxyl groep aan het nummer 1 koolstof atoom gepositioneerd aan de onder of bovenkant van de ring. Deze twee ring vormen voor glucose worden alfa en bèta genoemd. In zetmeel zijn alle glucose monomeren zijn in de alfa configuratie gevormt. In tegenstelling tot de glucose- monomeren van cellulose die zijn allemaal in de bèta configuratie, waardoor elke andere glucose monomeer ondersteboven zit.

 

 

De verschillende glucoside bindingen aan zetmeel en cellulose zorgen dat de twee moleculen zich onderscheiden driedimensionale vormen. Over het algemeen is een zetmeel molecuul meestal schroefvormige terwijl een cellulose molecuul meestal recht is. Cellulose is nooit vertakt, en sommige hydroxyl groepen op de glucose monomeren zijn vrij om waterstofbrug met de hydroxyls van andere cellulose moleculen aan te gaan. In de celwand van planten zijn op deze manier cellulose moleculen bij elkaar gehouden en onderverdeeld in eenheden die microfibrillen heten. microfibrillen zijn een sterk bouwmateriaal voor planten en een belangrijke stof voor de mens omdat cellulose een van de  belangrijkste bestanddelen van papier is en het enige bestanddeel van katoen.

Enzymen die zetmeel verteren door hydrolyse van zijn alfa verbindingen zijn niet in staat de beta bindingen van cellulose te hydrolyseren dit komt vanwege de duidelijk verschillende vormen van deze twee moleculen. In feite bezitten weinig organismen de enzymen die cellulose kunnen verteren. Mens kan het ook niet de cellulose in ons voedsel passeert het spijsverteringskanaal en wordt uitgescheiden met de ontlasting. Langs deze weg helpt cellulose bij de vlotte doorgang van het voedsel door het darmkanaal. Hoewel de cellulose niet een voedingsstof is voor mensen, is het een belangrijk onderdeel van een gezond dieet. De meeste verse fruiten, groenten en volkoren granen zijn rijk aan cellulose. Als op de levensmiddelen pakketten, "onoplosbaar vezel" staat verwijst voornamelijk aan cellulose.

 

Sommige prokaryoten kunnen cellulose verteren, door het af te breken tot glucose monomeren. Een koe heeft celluloseverterende prokaryoten in de pens, dit is het eerste compartiment in zijn maag. De prokaryoten hydrolyseren de cellulose van hooi en gras en zetten de glucose naar andere voedingsstoffen die de koe voeden. Evenzo is een termiet niet in staat is om cellulose te verteren maar doordat hij prokaryoten heeft zijn maag kan hij dat wel. Sommige schimmels kunnen ook cellulose verteren, hierdoor recyclen ze chemische elementen op aarde binnen ecosystemen. Een andere belangrijke structurele polysaccharide is chitine, de koolhydraten van deze stof worden gebruikt door geleedpotigen (insecten, spinnen, schaaldieren, en aanverwante dieren) om hun exoskeletons bouwen. Een exoskelet is een harde schaal die de zachte delen van een dier omringt. Pure chitine is leerachtig en flexibel, maar het verhard als ingelegde wordt met calciumcarbonaat, dit is een zout. Chitine is ook te vinden in tal van schimmels, die dit polysaccharide gebruiken in plaats van cellulose als bouwmateriaal voor hun celwanden. Chitine is vergelijkbaar met cellulose alleen heeft cellulose glucose als aanhangsel en chitine heeft stikstof houdend aanhangsel.

Vetten zijn grote groepen van hydrofobe moleculen.

Vetten zijn een grote klasse van biologische moleculen die niet onder de echte polymeren vallen, ook zijn ze over het algemeen niet groot genoeg om te worden beschouwd als macromoleculen. De verbindingen die we vetten noemen zijn apart gegroepeerd omdat ze een aantal belangrijke eigenschappen hebben : Ze mengen slecht met water en ze delen slecht of helemaal niet met water. Het hydrofobe gedrag van vetten is gebaseerd op hun moleculaire structuur. Hoewel ze mogelijk een aantal polaire bindingen hebben geassocieerd met zuurstof, bestaan vetten meestal uit koolwaterstof delen. Lipiden zijn gevarieerd in vorm en functie. Ze omvatten wassen en bepaalde pigmenten, maar we zullen ons richten op de meest biologisch belangrijke types van lipiden: vetten, fosfolipiden, en steroïden.

Vetten

Hoewel vetten niet onder polymeren vallen, zijn ze grote moleculen opgebouwd uit een aantal kleinere moleculen door hydratatie reacties. Een vet is opgebouwd uit twee soorten van kleinere moleculen: glycerol en vetzuren. Glycerol is een alcohol met drie koolstofatomen, elk voorzien van een hydroxyl groep. Een vetzuur heeft een lange koolstofskelet, meestal 16 of 18 koolstofatomen in lengte. De koolstofatoom aan het ene uiteinde van het vetzuur is onderdeel van een carboxylgroep, de functionele groep die deze moleculen de naam vetzuur geeft. Aan de carboxylgroep is een lange koolwaterstof keten. De relatief non-polaire CH bindingen in de koolwaterstof ketens van vetzuren zijn de reden dat vetten hydrofoob zijn. Vetten scheiden zich van het water omdat het water moleculen doormiddel van waterstofbruggen aan elkaar en sluit de vetten buitensluiten. Dit is dezelfde reactie die plantaardige olie (een vloeibaar vet) scheidt van de azijn waterige oplossing in een fles slasaus.

Bij het maken van een vet, sluiten drie vetzuur moleculen samen aan op glycerol door een ester koppeling, een binding tussen een hydroxyl groep en een carboxyl groep. Het resulterende vet, ook wel een triacylgIycerol genoemd bestaat uit drie vetzuren, gebonden aan een glycerol molecuul. De vetzuren in een vet kunnen hetzelfde zijn, of ze kunnen een worden van twee of drie verschillende soorten. Vetzuren variëren in lengte en in het aantal en locaties van dubbele bindingen. De termen verzadigde vetten en onverzadigde vetten worden meestal gebruikt in de context van de voeding.

 

Deze termen verwijzen naar de structuur van de koolwaterstof ketens van de vetzuren. Als er geen dubbele bindingen tussen samenstelling van de keten koolstofatomen zijn, dan zijn er zo veel mogelijk waterstof atomen gebonden aan het koolstofskelet. Een dergelijke structuur wordt beschreven als verzadigd met waterstof, waardoor het resulterende vetzuur een verzadigd vetzuur wordt genoemd.  Een onverzadigd vetzuur heeft een of meer dubbele bindingen, gevormd door de verwijdering van waterstof atomen uit het koolstofskelet. De vetzuren hebben een knik in de koolwaterstof keten waar een cis dubbele binding optreedt.

Een vet gemaakt van verzadigde vetzuren wordt een verzadigd vet genoemd. De meeste dierlijke vetten zijn verzadigd: De ketens van koolwaterstof hun vetzuren de 'staart'  van het vet molecuul heeft een gebrek aan dubbele bindingen, door hun flexibiliteit kunnen de vetmoleculen dichter tegen elkaar kruipen. Verzadigde dierlijke vetten, zoals boter en reuzel zijn een vaste stof bij kamertemperatuur. Dit in tegenstelling tot het vet van planten en vissen die veelal onverzadigd zijn. Onverzadigd houd in dat ze zijn opgebouwd uit een of meer typen van onverzadigde vetzuren. De vetten zijn meestal vloeibaar bij kamertemperatuur. Plantaardige vetten en vis worden aangeduid als olie, olijfolie en levertraan zijn voorbeelden hiervan. De knikken waar de cis dubbele bindingen zijn gevestigd voorkomen dat de moleculen van de verpakking niet dicht genoeg bij elkaar komen om te stollen op kamertemperatuur. De zinsnede "gehydrogeneerde plantaardige olie" de etikettering van levensmiddelen betekent dat onverzadigde vetten synthetisch zijn omgezet in verzadigde vetten door toevoeging van waterstof . pindakaas, margarine, en vele andere producten zijn gehydrogeneerde vetten om te voorkomen dat ze  het  vet scheiden in vloeistof (olie) vorm.

 

 

 

Een dieet rijk aan verzadigde vetten is een van de factoren die kunnen bijdragen aan hart en vaatziekten. Hierbij zetten plaques zich af binnen de muren van de bloedvaten, waardoor de actieve uitstulpingen de doorbloeding belemmeren.

De belangrijkste functie van vetten is energieopslag. De ketens van koolwaterstof vetten zijn vergelijkbaar met benzine moleculen en net zo rijk aan energie. Een gram vet slaat meer dan twee keer zoveel energie als een gram van een polysacchariden, zoals zetmeel. Omdat planten relatief immobiel zijn, kunnen ze functioneren met grote opslag van energie in de vorm van zetmeel. (Plantaardige olie in het algemeen worden verkregen uit zaden, waar meer compacte opslag is een aanwinst voor de plant.) Dieren moet hun eigen vet dragen dus is het een voordeel van het hebben van een compactere reservoir van brandstof vetten. Mensen en andere zoogdieren slaan hun voorraad voedsel op langdurige reserves in het vet cellen. De vetcellen zwellen als vet is opgeslagen en  krimpen als vet wordt gebruikt uit de opslagplaats. Naast het opslaan van energie is vetweefsel ook een kussen voor belangrijke organen zoals de nieren. Ook isoleert een laag vet het lichaam. Deze vetlaag is vooral dik in walvissen, zeehonden, en de meeste andere zeezoogdieren deze vetlaag dient hen te beschermen tegen koude oceaan water.

 

Fosfolipiden

Cellen kunnen niet bestaan zonder een ander type van vetten genaamd fosfolipiden. Fosfolipiden zijn essentieel voor de cellen, omdat ze celmembranen vormen. Hun structuur is een klassiek voorbeeld van hoe vorm en functie op moleculair niveau verschilt in werking. Fosfolipide is vergelijkbaar met een vet molecuul, maar heeft slechts twee vetzuren aan glycerol vastzitten in plaats van drie. De derde hydroxyl groep van glycerol is aangesloten bij een fosfaat groep, die een negatieve elektrische lading heeft. Aanvullende kleine moleculen die gewoonlijk geladen zijn of polair kunnen worden gekoppeld aan de fosfaat-groepen tot een verscheidenheid van fosfolipiden.

De twee uiteinden van fosfolipiden laten een verschillend gedrag zien in de richting van het water. De koolwaterstoffen zijn hydrofobe staarten  en worden buiten gesloten van het water. De fosfaat groep en haar aanvullingen vormen een hydrofiele kop die een affiniteit voor water heeft.

Op het oppervlak van een cel zijn fosfolipiden gerangschikt in een soortgelijke dubbellaag. De hydrofiele koppen van de moleculen zijn gerangschikt op de buitenkant van de dubbellaag in contact met de waterige oplossingen. De hydrofobe staarten wijzen in de richting van het interieur van de dubbellaag weg van het water. De fosfolipide dubbellaag vormt een grens tussen de cel en haar externe omgeving; in feite kan de cel niet bestaan zonder fosfolipiden.

Steroïden

Veel hormonen zo ook cholesterol, zijn steroïden. Deze worden gekenmerkt door een lipiden koolstofskelet bestaande uit vier gesmolten ringen. Steroïden verschillen in de chemische groepen die vast zitten aan dit geheel van ringen. Cholesterol is een gemeenschappelijke component van dierlijke celmembranen en is tevens de voorloper van andere steroïden die worden gesynthetiseerd. In gewervelde dieren is cholesterol gesynthetiseerd in de lever. Veel hormonen, waaronder gewervelde seks hormonen en steroïden worden geproduceerd uit cholesterol. Zo is cholesterol een cruciaal molecuul in dieren, hoewel een hoog niveau van cholesterol in het bloed kan bijdragen aan aderverkalking. Zowel verzadigde vetten en transvetten oefenen hun negatieve invloed op de gezondheid door het aantasten van het cholesterolgehalte.

Proteïnes hebben een verschillende opbouw wat er voor zorgt dat ze veel functies hebben!

Bijna elke dynamische functie van een levend wezen is afhankelijk van eiwitten. In feite is het belang van eiwitten onderstreept door hun naam, die afkomstig is van het Griekse woord proteios, wat betekent "eerste plaats" Eiwitten zijn goed voor meer dan 50% van de droge massa van de meeste cellen, en ze zijn belangrijk in bijna alles organismen doen. Sommige eiwitten versnellen chemische reacties, terwijl anderen een rol in de structurele ondersteuning, opslag, transport, cel communicatie, beweging, en verdediging tegen stoffen van buiten het lichaam. Het leven zou niet mogelijk zijn zonder enzymen, de meeste enzymen zijn eiwitten. Enzymatische eiwitten reguleren het metabolisme door te fungeren als katalysatoren, chemische stoffen die selectief chemische reacties versnellen zonder te worden verbruikt door de reactie. Omdat een enzym zijn functie telkens weer kan uitvoeren, kunnen deze moleculen worden gezien als werkpaarden die ervoor zorgen dat cellen blijven werken tijdens de uitvoering van de processen voor het leven.

 

 

Een mens heeft tienduizenden verschillende eiwitten, elk met een specifieke structuur en functie; eiwitten zijn in feite de meest geavanceerde en structureel bekende moleculen. Overeenstemming met hun diverse functies, verschillen zij uitgebreid in de structuur, elk soort eiwit heeft een unieke driedimensionale vorm.

Polipeptiden.

Zo divers als eiwitten zijn, zijn ze toch allemaal polymeren opgebouwd uit dezelfde set van 20 aminozuren. Polymeren van aminozuren worden polipeptiden genoemd. Een eiwit bestaat uit een of meer polipeptiden, elk gevouwen en opgerold in een specifieke driedimensionale structuur.

Aminozuur Monomeren

Alle aminozuren delen een gemeenschappelijke structuur. Aminozuren zijn organische moleculen die over zowel carboxyl en aminogroepen beschikken(Zie chemie en de biologie deel 3). In het midden van het aminozuur is een asymmetrisch koolstofatoom zogenaamde alfa koolstof.

Vier verschillende partners een aminogroep, een carboxylgroep, een waterstof atoom, en een variabele groep variabel weergegeven met R. De R-groep verschilt bij elk aminozuur.

Hier zijn de amino en carboxylgroepen allemaal afgebeeld in geïoniseerd vorm. Op de manier waarop ze meestal bestaan in een cel. De R-groep kan zo simpel zijn als een waterstofatoom, zoals in het aminozuur glycine. Bij de R-groep het kan het koolstofskelet met verschillende functionele groepen verbonden zijn, zoals in glutamine.

 

 

 

De fysieke en Chemische eigenschappen van een zijketen zijn gigantisch in de unieke kenmerken van een bepaald aminozuur, en is van invloed zijn functionele rol in een polipeptide. De aminozuren worden gegroepeerd op basis van de eigenschappen van hun SI de ketens. Een groep bestaat uit aminozuren met non-polaire zijketens, die waterafstotend zijn. Een andere groep bestaat uit aminozuren met polaire zijketens, die hydrofiel zijn. Zure aminozuren zijn de aminzuren met zijketens die meestal negatief geladen zijn door de aanwezigheid van een carboxylgroep. Basische aminozuren hebben aminogroepen in hun zijketens die over het algemeen positief zijn geladen. Omdat Zure en Basische zijketens geladen zijn, zijn ze ook hydrofiele.

Aminozuur Polymeren

Nu we aminozuren hebben bekeken, laten we eens kijken hoe ze verbonden zijn om de polymeren te vormen. Als twee aminozuren zo zijn geplaatst dat de carboxylgroep grenst aan de aminogroep van het andere. Dan kunnen zij worden geholpen door een uitdroging reactie en samenvoegen, door de verwijdering van een water molecuul. De resulterende covalente binding heet een peptide binding. Herhaalt dit proces zich keer op keer dan levert dit een polipeptide, dit is een polymeer van vele aminozuren met elkaar verbonden door peptide bindingen. Aan het ene eind van de polipeptide keten is een vrije aminogroep; aan de andere kant is een vrije carboxylgroep. Zo heeft de keten een aminozuur einde (N-terminus) en een carboxylgroep einde (C-terminus). De herhalende volgorde van atomen wordt de polypeptide backbone. De uitbreiding van deze backbone zijn verschillende soorten aanhangsels, de zijketens van de aminozuren. Polypeptiden variëren in lengte van een paar monomeren tot duizend of meer. Elk polipeptide heeft een unieke lineaire volgorde van aminozuren.

Proteïne structuur en functie.

De specifieke activiteiten van eiwitten zijn het gevolg van de ingewikkelde driedimensionale architectuur, waarvan het eenvoudigste de volgorde van de aminozuren. De pionier in de bepaling van de aminozuurvolgorde van eiwitten was Frederick Sanger. Hij werkte met zijn collega's van de Universiteit van Cambridge in Engeland aan het hormoon insuline in de late jaren 1940 en begin 1950. Hij gebruikte middelen die polipeptiden op specifieke plaatsen opdeelden, gevolgd door chemische methoden om de volgorde van het aminozuur in deze kleine fragmenten te bepalen. Sanger en zijn mede-werkers waren in staat om na jaren van werk de aminozuren van insuline opnieuw te herenigen met elkaar. Sindsdien hebben we meeste van de stappen die betrokken zijn bij de volgorde van een polipeptide geautomatiseerd.

De term polipeptide is niet gelijk met de term eiwit. Een functioneel eiwit is niet alleen een polipeptide keten, maar een of meer polipeptiden precies gedraaid, gevouwen en opgerold in een unieke vorm van het molecuul.

De vier niveaus van Proteine structuur.

Met als doel inzicht in de functie van een eiwit krijgen, blijft dat haar structuur leren herkennen vaak productief is. Ondanks hun grote diversiteit, hebben alle eiwitten drie boven elkaar liggende niveaus van structuur, beter bekend als primaire, secundaire en tertiaire structuur. Een vierde niveau, quaternaire structuur, ontstaat wanneer een eiwit bestaat uit twee of meer polipeptide ketens.

 

 

 

 

 

 

 

Sikkelcel een verandering in de primaire structuur.

een lichte verandering in de primaire structuur kan van invloed zijn op de vorm van eiwitten en hun vermogen om te functioneren. Bijvoorbeeld, sikkelcelziekte, een erfelijke bloedziekte, wordt veroorzaakt door de vervanging van een aminozuur (valine) inplaats van het normale een (glutaminezuur) op een bepaalde positie in de primaire structuur van hemoglobine, het eiwit dat zuurstof vervoert in rode bloedcellen. Normale rode bloedcellen hebben een disk-vorm, maar in sikkelcelziekte, hebben de abnormale hemoglobine moleculen de neiging te kristalliseren, het vervormen van een aantal van de cellen in een sikkel vorm. Het leven van iemand met de ziekte wordt gekenmerkt door "sikkelcelanemie crises;", die treed op wanneer de hoekige cellen de kleine bloedvaten verstoppen en de doorbloeding belemmeren. Wat er gebeurd geeft goed weer wat voor invloed een kleine verandering heeft op het organisme.

Wat bepaald de structuur van een proteine?

Je weet dat de unieke vorm van een eiwit ook een specifieke functie geeft. Maar wat zijn de belangrijkste factoren voor eiwit structuur? Een polypeptide keten van een bepaalde volgorde aminozuren spontaan zelf herverdelen in een driedimensionale vorm vastgesteld en onderhouden door de interacties die verantwoordelijk is voor secundaire en tertiaire structuur. Dit vouwen gebeurt gewoonlijk als het eiwit wordt gesynthetiseerd in de cel. Echter is de eiwit structuur ook afhankelijk van de fysieke en chemische voorwaarden van het eiwit milieu. Als de pH, zoutconcentratie, temperatuur, of andere aspecten van zijn omgeving worden gewijzigd, kan het eiwit ontrafelen en verliest zijn oorspronkelijke vorm, een verandering genaamd denaturatie. Omdat het misvormd is, wordt het gedenatureerde eiwit biologisch inactief.

 

 

 

De rollen van nucleïnezuren.

De twee soorten van nucleïnezuren desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA), zorgen ervoor dat levende organismen zo complex zijn. DNA bevat aanwijzingen voor zijn eigen replicatie. DNA leidt ook RNA synthese en, via RNA wordt de eiwit synthese gecontroleerd.

DNA is het genetische materiaal dat organismen erven van hun ouders. Elk chromosoom bevat een lang DNA molecuul, die meestal een paar honderd of meer genen bestaat. Als een cel zichzelf opnieuw produceert door te delen, worden zijn DNA-moleculen gekopieerd en  doorgegeven van de ene generatie van de cellen naar de volgende. Gecodeerd in de structuur van DNA is de informatie die alle cel activiteiten. Het DNA is echter niet rechtstreeks betrokken bij het uitvoeren van de werkzaamheden van de cel. De eiwitten zijn van groot belang uitvoering genetische programma's. De moleculaire structuur van de cel voor biologische functies, bestaat vooral uit eiwitten. Bijvoorbeeld het eiwit hemoglobine wordt niet door het DNA bepaalt. Hoe past RNA het andere type van nucleïnezuur in de stroom van genetische informatie van DNA naar eiwitten? Elk gen langs een DNA-molecuul richt zich op de synthese van een type RNA genaamd boodschapper-RNA (mRNA). De mRNA-molecuul reageert met eiwitten voor de productie van een polypeptide, die plooien zich in alle of een deel van een eiwit. We kunnen de stroom van genetische informatie neerzetten als DNA RNA , eiwit. De werkplaatsen van de eiwitsynthese zijn kleine structuren die we ribosomen noemen. In een eukaryotische cel zitten ribosomen in het cytoplasma, maar DNA zit in de kern. Messenger RNA brengt genetische instructies voor de bouw van eiwitten uit de kern naar het cytoplasma. Prokaryote cellen hebben geen kernen, maar gebruiken nog steeds RNA om een boodschap over te brengen van het DNA naar ribosomen en andere cel delen. In die celdelen wordt de gecodeerde informatie vertaalt in aminozuur sequenties. RNA speelt ook vele andere rollen in de cel.

 

 

 

De structuur van Nucleïnezuren.

Nucleïnezuren zijn macromoleculen die bestaan uit polymeren die we polynucleotiden noemen. Zoals aangegeven door de naam, bestaan ze uit monomeren genaamd nucleotiden. Een nucleotide zelf bestaat uit drie delen: een stikstofhoudende base, een vijf-koolstofatomen houdend suiker (een pentose), en een fosfaatgroep. Het gedeelte van deze eenheid zonder de fosfaat groep heet een nucleoside.

 

 

 

 

Nucleotide Monomeren.

Voor het bouwen van een nucleotide, laten we eerst de twee componenten van de nucleoside bekijken: de stikstofbase en de suiker. Er zijn twee families van stikstofbasen: pyrimidines en purines. Een pyrimidine heeft een zesring van koolstof en stikstof atomen. (De stikstof-atomen Heeft de neiging tot het opnemen van H uit de oplossing, die verklaart waarom het een Stikstofbase heet.) De leden van de pyrimidine familie cytosine zijn (C), thymine (T) en uracil (U). Purines zijn groter, een zesring gefuseerd met een vijfring. De purines zijn adenine (A) en guanine (G). De specifieke pyrimidines en purines verschillen in de chemische groepen aan de ringen. Adenine, guanine, cytosine en zijn te vinden in beide soorten nucleïnezuur, thymine is alleen te vinden in het DNA en uracil alleen in RNA. De suiker aangesloten op de stikstofbase is ribose in de nucleotiden van RNA en deoxyribose in het DNA. Het enige verschil tussen deze twee suikers is dat bij deoxyribose een zuurstofatoom ontbreekt op de tweede koolstof in de ring, vandaar de naam deoxyribose. Omdat de atomen in zowel de stikstofhoudende base en de suiker zijn genummerd, hebben de suiker atomen een prime (') na het getal om ze te onderscheiden. Zo heeft de tweede koolstof in de suikerring is de 2 " koolstof, en de koolstof die de ring uitsteekt wordt de 5 'koolstof. Tot dusver hebben we een nucleoside. Voor het voltooien van de bouw van een nucleotide, hechten wij een fosfaatgroep aan de 5 'koolstof van de suiker. Het molecuul is nu een nucleoside monofosfaat, beter bekend als een nucleotide.

Nucleotide Polymeren

Nu kunnen we zien hoe deze nucleotiden aan elkaar zijn gekoppeld om een polynucleotide te bouwen. Aangrenzende nucleotiden zijn verbonden door een fosfo diester koppeling, die bestaat uit een fosfaatgroep dat de suikers van twee nucleotiden koppelt. Deze binding resulteert in Een ruggengraat met een terugkomend patroon van suikerfosfaat eenheden. De twee vrije uiteinden van het polymeer zijn duidelijk verschillend van elkaar. Het ene uiteinde heeft een fosfaat gekoppeld aan een 5 'koolstof, en het andere uiteinde is een hydroxylgroep op een 3' koolstof; daarom verwijzen wij naar deze als het 5 'uiteinde en het 3' uiteinde respectievelijk. We Kunnen zeggen dat de DNA-streng een ingebouwde directionaliteit langs het suikerfosfaat Ruggengraat heeft, zeg van 5 'naar 3', beetje hetzelfde idee als een straat met Eenrichtingsverkeer. Overal langs deze suiker fosfaat ruggengraat zijn aanhangsels, bestaande uit het stikstofbasen. De volgorde van de basen langs een DNA (of mRNA) polymeer is uniek voor elk gen en zorgt voor zeer specifieke informatie naar de cel. Genen zijn honderden tot duizenden nucleotiden lang, hierdoor is het aantal mogelijke basensequenties daadwerkelijk onbeperkt. De betekenis van een gen voor de cel wordt gecodeerd in de specifieke volgorde van de vier Nalazen. Bijvoorbeeld de volgorde AGGTAACTT een ding betekent, terwijl de sequentie CGCTTTAAC een andere betekenis heeft. (Gehele genen, zijn natuurlijk veel langer.) De lineaire volgorde van de basen in een gen bepaalt de aminozuur volgorde, de primaire structuur van een eiwit, die op zijn beurt van dat eiwit de driedimensionale structuur en functie  bepaalt in de cel.

De Dubbele Helix van het DNA

De RNA-moleculen van de cellen bestaan uit enkele polynucleotide ketens. In tegenstelling, cellulaire DNA-moleculen hebben twee polynucleotiden die spiraalsgewijs rond een denkbeeldige as, een dubbele helix vormen. James Watson en Francis Crick, werkzaam bij de Universiteit van Cambridge, stelden voor het eerst de dubbele helix als de driedimensionale structuur van DNA in 1953. De twee suikerfosfaat backbones draaien in tegengestelde 5 '--- 3' richtingen van elkaar, een regeling als anti parallel genoemd, een beetje zoals een snelweg twee richtingen heeft. De suikerfosfaat backbones zijn aan de buitenkant van de helix, en de stikstofbases zijn gekoppeld aan de binnenkant van de helix. De twee polynucleotiden of strengen, zoals ze worden genoemd, worden aan elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen de gepaarde bases en door Van der Waals interacties tussen de gestapelde basen. De meeste DNA-moleculen zijn zeer lang, met uizenden of zelfs miljoenen basenparen. Een lange dubbele DNA-helix bevat vele genen, die elk een bepaald segment van het molecuul zijn.Slechts bepaalde bases in de dubbele helix zijn compatibel met elkaar. Adenine (A) zal altijd paren met thymine (T) en guanine (G) vormt altijd paren met cytosine (C). Als we de volgorde van de basen lezen langs een streng en reisden we langs de lengte van de dubbele helix, zouden we ook weten wat de volgorde van de basen langs de andere streng was. Als een stuk van een streng de basenvolgorde 5'-AGGTCCG-3 'heeft , dan vertellen base-pairing regels ons dat het traject van de andere streng de volgorde 3'-TCCAGGC-5 moet hebben'. De twee strengen van de dubbele helix zijn complementair, elk de voorspelbare tegenhanger van de andere. Het is deze functie van DNA dat mogelijk de precieze te kopiëren van genen die verantwoordelijk is voor de successierechten. Ter voorbereiding van de celdeling, elk van de twee strengen van een DNA-molecuul fungeert als een sjabloon voor de te bestellen nucleotiden in een nieuwe complementaire streng. Het resultaat is twee identieke kopieën van de originele double-stranded DNA-molecuul, worden verdeeld over de twee dochtercellen. Zo is de structuur van DNA is goed voor zijn functie bij het doorgeven van genetische informatie, wanneer een cel zich reproduceert.

DNA en Eiwitten als meetlint voor de evolutie.

Wij zijn gewend om te denken aan gedeelde kenmerken, zoals haar en melkproductie bij zoogdieren, als bewijs van gedeelde voorouders. Omdat we begrijpen dat DNA de drager van erfelijke informatie is in de vorm van genen, kunnen we zien dat genen en hun producten (eiwitten) de erfelijke achtergrond van een organisme documenteerd. De lineaire sequenties van nucleotiden in DNA-molculen worden doorgegeven van ouders op nakomelingen; deze sequenties de Termine de aminozuursequenties van eiwitten. Broers en zussen hebben een grotere gelijkenis in hun DNA en eiwitten dan niet verwante individuen van dezelfde soort. Als de evolutionaire kijk op het leven geldig is, moeten we in staat zijn om dit concept van "moleculaire genealogie" uit te breiden tot relaties tussen soorten: We zouden verwachten dat twee soorten die nauw verwant lijken gebaseerd op fossiele en anatomische zin. Ook voor grote delen een groter aandeel van hun DNA en eiwit-sequenties op elkaar lijken. In feite is dat het geval. Een voorbeeld is de vergelijking van een polypeptide keten van menselijke hemoglobine met de overeenkomstige hemoglobine polypeptide in vijf andere gewervelde dieren. In deze keten van 146 aminozuren, verschillen mens en gorilla's slechts 1 aminozuur, terwijl mensen en kikkers verschillen in 67 aminozuren. Duidelijk, maken deze veranderingen niet het eiwit niet-functioneel).