HC11: Ligand-eiwitbinding en enzymologie

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college wordt de werking ligands en enzymen besproken
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen met betrekking tot het tentamen gedaan
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Ligand-eiwitbindingen

In de cel binden eiwitten binden aan andere moleculen:

• Soms kortdurig en zwak
• Soms sterk

Als de eiwitten andere moleculen tegenkomen gaan ze non-covalente interacties aan:

• Waterstofbruggen
• Elektrostatische aantrekkingskrachten
• Vanderwaals-aantrekkingskrachten

Specifieke moleculen waar eiwitten aan kunnen binden worden ligands genoemd. Deze zijn heel belangrijk: zo kunnen eiwitten hun functie vervullen.

Cellulaire communicatie:

Cellen in het lichaam willen met elkaar kunnen communiceren, ook op afstand. Hiervoor scheiden cellen stofjes uit: ligands/chemische boodschappers. Een voorbeeld van een chemische boodschapper is insuline. Insuline wordt gemaakt door de pancreas en werkt op specifieke cellen met een insuline receptor. Als insuline bindt op bv. een skeletspier gaat glucose naar het celmembraan en wordt het opgenomen.

Receptoren:

Als de concentratie van ligand toeneemt zijn op een gegeven moment alle receptoren gebonden aan insuline → maximale hoeveelheid gebonden ligand: → saturatie.

Als de concentratie insuline nog meer stijgt, kan het niet meer binden aan receptoren.

De ligand-receptor binding kan ook wiskundig beschreven worden: 

• Ligand + de vrije receptor vormen een evenwichtsreactie met de ligand-receptor
  • L + Rfree ⇌LR 
  • Waar het evenwicht ligt, hangt af van of het een sterke of een zwakke binding is
• Receptoren met een lagere affiniteit hebben meer ligand nodig om hetzelfde aantal gebonden receptoren te bereiken
  • De affiniteit kan berekend worden met de dissociatie constante
• Het is handig om te bekijken bij welke concentratie 50% van de receptoren bezet zijn
  • Dit kan aan de hand van de verzadigingscurve
  • Als 2 receptoren verschillende 50% punten hebben, hebben zij een verschillende affiniteit voor ligand

Enzymologie

Een enzym heeft een aantal eigenschappen:

• Eiwitten die binden aan een substraat (ligand)
• Katalysatoren: versnellen een biochemische reactie versnellen
  • Maken of breken covalente bindingen
• Zetten substraten om in producten
• Hun naam eindigt meestal op -ase

Enzymen versnellen dus biochemische reacties. Het enzym orotidine 5’-fosfaat decarboxylase (OMP-decarboxylase) katalyseert de reactie in de pyrimidine biosynthese (DNA en RNA-synthese):

• Zonder OMP vindt er 1 reactie per 1 miljoen jaar plaats
• Met OMP vindt er 1 reactie per milliseconde plaats

Activatie energie:

Enzymen kunnen een reactie versnellen door de activatie energie te verlagen. Hierdoor kan de reactie eerder starten. Dit doen zij op verschillende manieren:

• Binden substraten in hun actieve centrum: twee substraten kunnen in de juiste positie voor een reactie gebracht worden
• Creëren een optimale omgeving voor een reactie (pH, polariteit)
• Buigen een substraat om → binding kan makkelijk verbroken worden

Enzym-substraat interactie:

Er zijn 2 modellen van enzym-substraat interactie:

• Sleutel-slot principe
• Induced fit model: door vormverandering kan de reactie beter verlopen

Een enzymreactie verloopt dus als volgt:

Enzym bindt aan actieve centrum substraat → enzym-substraatcomplex wordt gevormd: → katalyse → enzym-product complex ontstaat → product wordt afgegeven

Michaelis-Menten vergelijking:

In 1913 kwamen Leonor Michaelis en Maud Menten met een simpel model om enzymkinetiek te beschrijven. Bij grafische weergave hiervan ontstaat de Michaelis Menten curve:

• Op de Y-as staat de reactiesnelheid
• Op de X-as staat de substraatconcentratie

De snelheid van een enzymreactie is afhankelijk van de substraat- en de enzymconcentratie. Als de substraatconcentratie toeneemt, worden er meer enzymen gebonden → saturatie. Bij saturatie is het maximum aan gebonden substraat bereikt.

Er kan ook een aantal vergelijkingen vastgesteld worden:

• E + S <> ES > E + P
  • De omzetting van E + S naar ES vindt plaats met K1 en de omzetting van ES naar E + S met K-1
  • Beschijft de omzetting van ES naar E + P met kp
• V (snelheid) = Vmax * ([S] / Km + [S])
  • Km = Michaelis constante = [S] bij halve Vmax
  • Km= (k−1 + kp) / k1

Vmax wordt bepaald door:

• De hoeveelheid enzym
• Kcat: het turnover getal van een enzym → aantal reacties per seconde

Km is de concentratie van het substraat waarbij de snelheid de helft is van de Vmax (maximale snelheid). Bij een lage Km heeft een enzym een hoge affiniteit voor het substraat. 

Enzymremmers:

Enzymremmers (proteases, nucleases) hebben bepaalde eigenschappen:

• Kunnen aan enzymen binden en hun werking remmen
• Zijn schadelijk voor de cel
• Kunnen uitgeschakeld worden door inhibitoren (de ribonuclease-inhibitor bindt aan ribonuclease)
• Downstream producten uit een metabole pathway remmen een enzym → feedback-inhibitie
• Er zijn ook remmers van buiten het lichaam:
  • Gif
  • Pesticiden
  • Medicijnen
    • Allopurinol is een medicijn tegen jicht: remt het enzym xanthine oxidase in de purineafbraak

Er zijn verschillende soorten enzymremmers:

• Irriversibele remmers
• Reversibele remmers
  • Competitieve: concurreren met het substraat → substraat kan niet meer binden in het actieve centrum omdat de remmer er al zit
    • Competitieve inhibitie: de Km wordt hoger en de Vmax blijft hetzelfde
  • Non-competitieve remmers: het substraat bindt in het actieve centrum, de remmer gaat op een andere plek in het enzym zitten waardoor de reactie niet meer kan verlopen
    • De Km blijft hetzelfde en de Vmax wordt lager