Een informatief artikel over vetten en enzymen.
Vetten en vetachtige verbindingen
Op basis van hun natuurlijke voorkomen worden dierlijke en plantaardige vetten onderscheiden:
Tierische Fette sind zum Beispiel Schweineschmalz, Sahne und Butterfett. Außerdem enthalten alle Fleisch- und Wurstwaren etwa 5–45 % „verstecktes“ Fett. Pflanzliche Fette sind etwa Olivenöl, Sonnenblumenöl, Kokosfett und Weizenkeimöl. Bei Raumtemperatur liegen Fette flüssig oder fest vor; die flüssigen Fette nennt man (Speise-)Öle.
Neutralvetten (triglyceriden)
De grootste groep natuurlijke vetten bestaat uit mengsels van zogenaamde triglyceriden, ook wel neutralvetten genoemd.
Tri = 3; elk triglyceride bestaat uit een glycerolmolecuul en drie vetzuurmoleculen.
Der menschliche Körper speichert Fett als Triglyzeride im Zytoplasma der Fettzellen. Der biologische Zweck dieser Speicherform ist eine große Energiereserve für „schlechte Zeiten“ bereitzuhalten: Fette liefern mehr als doppelt so viel Energie wie Kohlenhydrate (9,3 kcal pro Gramm statt 4,1 kcal).
Ein 70 kg schwerer Mensch mit 11 kg Fettreserven besitzt so etwa 100 000 kcal (!) in Form von Triglyzeriden.
Bovendien vervult het vetweefsel, vooral het onderhuidse vetweefsel, isolatie- en beschermingsfuncties.
Fettsäuren sind lange Kohlenwasserstoffketten, meist mit 16 oder 18 Kohlenstoffatomen. Je nachdem, ob das Kohlenstoffgerüst der Fettsäuren Doppelbindungen aufweist, unterscheidet man
- verzadigde vetzuren: ze hebben uitsluitend enkelvoudige bindingen,
- enkelvoudig onverzadigde vetzuren: ze hebben één dubbele binding; en
- meervoudig onverzadigde vetzuren: met twee, drie of nog meer dubbele bindingen.
Vetzuren kunnen via de voeding worden opgenomen of door de cellen zelf worden gevormd, waarbij echter hoogstens één dubbele binding kan worden ingebouwd.
Meervoudig onverzadigde vetzuren
Vetzuren met meer dan één dubbele binding, zoals linolzuur, linoleenzuur en arachidonzuur, kan het organisme niet synthetiseren en worden daarom essentiële vetzuren genoemd; ze moeten in de voeding aanwezig zijn.
Deze meervoudig onverzadigde vetzuren zijn essentieel voor de mens, omdat ze uitgangsstoffen zijn voor de vorming van verschillende lichaamseigen stoffen. In plantaardige oliën (zonnebloemolie, sojaolie, lijnzaadolie) en in visolie komen meervoudig onverzadigde vetzuren in veel hogere concentraties voor dan in dierlijke vetten.
Vetoplosbaarheid en wateroplosbaarheid
Net als andere zuren dissocieert een vetzuur gedeeltelijk in water; er ontstaan H+-ionen, waardoor de oplossing zuur wordt. Daarnaast vormt zich het zogenaamde vetzuuranion. Dit molecuul verenigt twee tegengestelde eigenschappen:
- De lange "staart" is sterk vetoplosbaar en slecht wateroplosbaar - men noemt hem lipofiel (vetvriendelijk) of hydrofoob (waterafstotend).
- De kleine "kop" daarentegen is goed wateroplosbaar (hydrofiel) en slecht vetoplosbaar (lipofobisch).
Door deze twee tegengestelde eigenschappen kunnen vetzuren lipofiele stoffen emulgeren, dus in water dispergeren. Ook zeep bestaat uit vetzuren en werkt volgens hetzelfde principe.
Vetzuren als energiedrager
Na glucose zijn vetzuren de op één na belangrijkste brandstof voor de cellulaire energieproductie. Ze ontstaan onder invloed van hormonen zoals adrenaline door splitsing van de in vetcellen opgeslagen neutralvetten in glycerol en vetzuren (lipolyse).
Durch eine sich wiederholende Abfolge von Reaktionen in den Mitochondrien, die sogenannte β-Oxidation, wird die Fettsäurekette jeweils um zwei C-Atome verkürzt, wobei NADH, FADH2 und Acetyl-CoA entstehen. Das Acetyl-CoA gelangt anschließend in den Zitratzyklus und wird dort ebenso wie die reduzierten Coenzyme weiterverarbeitet. Aus Palmitinsäure, einer Fettsäure mit 18 C-Atomen, können so insgesamt 131 ATP-Moleküle regeneriert werden.
Hieruit blijkt opnieuw dat de vorming van acetyl-CoA, de citroenzuurcyclus en de ademhalingsketen overkoepelende stofwisselingsroutes zijn, die niet alleen dienen voor de afbraak van glucosemetabolieten.
Fysiologisch gezien worden niet alle acetyl-CoA-moleculen die bij de vetafbraak ontstaan in de citroenzuurcyclus opgenomen. Een deel wordt gebruikt voor de synthese van zogenaamde ketonlichamen, die ook voor energievoorziening kunnen worden gebruikt.
Zoals reeds vermeld, geven de meeste lichaamscellen de voorkeur aan glucose als energiebron, maar er zijn uitzonderingen:
Hartspiercellen en cellen van de nierschors gebruiken liever ketonlichamen dan glucose. Van zenuwcellen is bekend dat ze bij langdurig glucosegebrek hun voorkeursbrandstof kunnen vervangen door ketonlichamen.
Lipogenese
Zoals meerdere malen aangegeven, kan het lichaam overtollige energie als vet opslaan. Dit geldt ook voor een overschot aan koolhydraten of eiwitten. Uit glucose kan in het lichaam als volgt vet ontstaan (lipogenese):
Uit een tussenproduct van de glycolyse, glycerinaldehyde-3-fosfaat, wordt de glycerolcomponent van de neutralvetten gevormd. De andere component, de vetzuren, kan uit acetyl-co-enzym A worden gesynthetiseerd.
Andere lipiden
Naast de beschreven neutralvetten behoren tot de lipiden (vetten en vetachtige stoffen) nog andere stoffen met de volgende gemeenschappelijke eigenschappen:
- Ze lossen slecht op in water
- en goed in organische oplosmiddelen zoals chloroform of ether.
De twee belangrijkste vertegenwoordigers van deze groep zijn cholesterol en de zogenaamde fosfolipiden.
Cholesterol
Cholesterol is een voor het organisme belangrijke verbinding, die enerzijds in het lichaam wordt gevormd en anderzijds via dierlijke voedingsmiddelen wordt opgenomen. In planten komt cholesterol niet voor.
Cholesterol is
- een essentieel bestanddeel van de celmembranen,
- voorloper van de steroïdhormonen (zie hieronder) en
- uitgangsstof van de galzuren (zie hieronder).
Steroïdhormonen
Steroïdhormonen zijn afgeleid van een koolwaterstofringsysteem, het steroïde basisraamwerk, en kunnen worden ingedeeld op basis van het aantal koolstofatomen.
De belangrijkste steroïdhormonen zijn de zogenaamde adrenocorticosteroïden hydrocortison, cortison, aldosteron en progesteron evenals de geslachtshormonen oestrogeen en testosteron.
De synthese van de steroïdhormonen, die plaatsvindt in de bijnierschors en geslachtsklieren, begint bij cholesterol. Hun afbraak vindt plaats in de lever.
Omdat steroïdhormonen lipofiel zijn, dringen ze de cel binnen en binden daar aan specifieke hormoonreceptoren. Het resulterende hormoon-receptorcomplex komt in de celkern, activeert de transcriptie van bepaalde genen en daarmee de productie van overeenkomstige eiwitten. Steroïdhormonen zijn wijdverspreid en zijn bijvoorbeeld ook aangetroffen bij gisten en hogere planten.
Synthetische steroïden zijn
- anticonceptiva (voorbehoedsmiddelen die de eisprong onderdrukken),
- cortison en talrijke synthetische cortisonderivaten, de meest gebruikte steroïden,
en anabole steroïden, die de eiwitsynthese stimuleren en worden toegediend voor spieropbouw. Ze zijn afgeleiden van het mannelijke geslachtshormoon testosteron. Tegenwoordig worden anabole steroïden gebruikt bij topsporters (doping). Het gezondheidsrisico is zeer hoog, omdat deze steroïden ernstige lichamelijke en psychische bijwerkingen veroorzaken. Het Internationaal Olympisch Comité (IOC) heeft in 1974 het gebruik van anabole steroïden verboden. Veel sporters zijn uitgesloten van wedstrijden vanwege positieve tests.
Galzuren
Galzuren zijn steroïde-achtige verbindingen die in de menselijke gal voorkomen.
In de levercellen ontstaan uit cholesterol de primaire galzuren cholzuur en chenodesoxycholzuur, die na verdere omzetting als "gepaarde galzuren" als levergal in de darm worden afgegeven. Door bacteriële "hydroxylering" in de darm worden de secundaire galzuren desoxycholzuur en lithocholzuur gevormd.
Gallensäuren sind unentbehrlich für die Emulgierung der Fette, die Aktivierung der Lipasen, die Aufnahme der Fettsäuren sowie anderer Stoffe, etwa Vitamine, im Darm. Etwa 90–95 % der ausgeschiedenen Gallensäuren werden im Dünndarm rückresorbiert und über die Pfortader zur Leber zurückgeführt, von wo sie erneut in die Galle gelangen (enterohepatischer Kreislauf).
Ideaal gezien is er een evenwicht tussen opgenomen of zelf geproduceerd cholesterol enerzijds en uitgescheiden of verwerkt cholesterol anderzijds. Als deze regulatie faalt, stijgen de cholesterolspiegels in het bloedserum.
Fosfolipiden
Fosfolipiden hebben een vergelijkbare structuur als neutrale vetten (triglyceriden). Het bekendste fosfolipide is lecithine.
Hun belangrijkste functie hebben fosfolipiden als bestanddelen van de celmembranen.
Eiwitten (proteïnen)
"Alles wat de mens is, is hij door zijn eiwitten."
Deze enigszins vereenvoudigde uitspraak maakt duidelijk dat eiwitten zowel voor de opbouw als de functie van de mens van groot belang zijn.
- De vorm van een mens berust in wezen op eiwitten, omdat ze de hoofdbestanddelen van bijna alle organen zijn.
- Als belangrijkste componenten van de spieren maken eiwitten de beweeglijkheid van de mens mogelijk.
- Eiwitten vormen de "poorten" van elke celmembraan en zorgen zo voor de individualiteit van de cel door de stoftransport in en uit de cel te reguleren.
Bovendien zijn eiwitten in de vorm van enzymen cruciaal voor de functionaliteit van het organisme.
De enzymen
De stofwisseling versnelt zijn reacties door gebruik te maken van essentiële hulpstoffen, zogenaamde enzymen (biokatalysatoren).
Ze zijn essentieel om in de cel complexe biologische structuren op te bouwen en hun geordende functioneren te waarborgen.
Aminozuren als bouwstenen van eiwitten
Eiwitten bestaan uit verschillende aminozuren. Alle aminozuren hebben in principe dezelfde basisstructuur. Een centraal koolstofatoom is verbonden met vier verschillende groepen of atomen:
- een COOH-groep,
- een NH2-groep (aminogroep),
- een waterstofatoom
- en een variabele rest.
Door deze rest (R) verschillen de 20 aminozuren die in menselijke eiwitten voorkomen.
Van deze 20 aminozuren zijn acht essentieel, dat wil zeggen dat ze, net als essentiële vetzuren, niet door het lichaam kunnen worden gesynthetiseerd.
Ze moeten daarom via de voeding worden aangevoerd. Niet-essentiële aminozuren kan het lichaam zelf aanmaken.
Tot de essentiële aminozuren behoren valine, fenylalanine, leucine, isoleucine, threonine, tryptofaan, methionine en lysine. Voor zuigelingen zijn daarnaast arginine en histidine essentieel.
De kettingvorming van aminozuren
Wanneer twee aminozuren met elkaar reageren, ontstaat een dipeptide. De daarbij onder waterafsplitsing gevormde binding wordt een peptidebinding genoemd.
Elk peptide heeft een zogenaamd vrij einde, waaraan verdere aminozuren kunnen worden toegevoegd.
Wanneer aan een dipeptide een derde aminozuur wordt toegevoegd, ontstaat een tripeptide.
Wanneer extra aminozuren worden gekoppeld, spreekt men van polypeptiden (poly = veelvuldig).
Polypeptide mit mehr als 100 Aminosäuren werden definitionsgemäß Proteine genannt. Die meisten menschlichen Proteine bestehen aus 100 bis 500 Aminosäuren.
Omdat 20 verschillende aminozuren worden gebruikt voor eiwitsynthese en hun volgorde variabel is, ontstaat er een enorme diversiteit aan verschillende eiwitten.
Voor de functionaliteit van een eiwit, bijvoorbeeld als enzym, is het cruciaal dat de aminozuurketen zich tot een driedimensionale structuur vouwt.
Men kan zich deze structuur voorstellen als een bol wol. Als deze ruimtelijke structuur bijvoorbeeld door hitte verloren gaat, verliest het eiwit zijn biologische functie.
Zo kunnen bij desinfectie en sterilisatie eiwitten, ook viruseiwitten, door hitte onwerkzaam worden gemaakt. Men spreekt dan van hitte-denaturatie van eiwitten.
Eiwit- en aminozurenstofwisseling
Tijdens de spijsvertering worden eiwitten afgebroken tot hun bouwstenen, de aminozuren, die via de poortader eerst naar de lever gaan.
Ook in het lichaam worden voortdurend eiwitten afgebroken (eiwitkatabolisme), waarbij aminozuren vrijkomen.
Deze vrijgekomen aminozuren kunnen naar behoefte van het organisme op verschillende manieren worden gebruikt.
Ten eerste kunnen ze dienen voor de opbouw van lichaamseigen eiwitten (eiwitanabolisme), bijvoorbeeld bij groei of herstelprocessen.
Daarnaast kunnen sommige aminozuren in andere aminozuren worden omgezet, afhankelijk van welke op dat moment ontbreken.
Alleen de essentiële aminozuren kunnen niet door omzettingsprocessen ontstaan, maar moeten via de voeding worden aangevoerd.
De sleutelrol van enzymen en co-enzymen
Het leven van elke afzonderlijke lichaamscel is onlosmakelijk verbonden met talloze chemische reacties die voortdurend in haar plaatsvinden.
Bij anabole reacties worden kleinere moleculen tot grotere eenheden verbonden door het ontstaan van nieuwe bindingen.
Dergelijke reacties zijn meestal gekoppeld aan energie-invoer, die wordt geleverd door de "celaccu" ATP.
Bij katabole reacties daarentegen worden bestaande bindingen gesplitst, waarbij energie vrijkomt.
Deze energie wordt meestal gebruikt voor de regeneratie van het verbruikte ATP.
De efficiëntie van deze energieomzetting in ATP is echter niet volledig, waardoor er ook warmte ontstaat.
Anabole reacties hebben een aanzienlijk aandeel in de bouwstofwisseling, omdat ze dienen voor de opbouw van nieuwe structuren.
Daartegenover staat de bedrijfsstofwisseling, die voornamelijk via katabole reacties verloopt.
Voor het functioneren van de stofwisseling zijn organische koolstofverbindingen cruciaal, die echter slechts zeer langzaam met elkaar reageren.
Daarom heeft elke cel gereedschappen die vrijwel elke chemische reactieketen versnellen: de genoemde enzymen (biokatalysatoren).
Enzymen en co-enzymen
Chemisch gezien behoren enzymen tot de groep van eiwitten. De stoffen die door een enzym worden omgezet, worden substraten genoemd.
Tijdens de enzymreactie wordt het substraat chemisch veranderd door het ontstaan van nieuwe bindingen of het splitsen van bestaande.
Hierbij ontstaan een of meer reactieproducten. Voor de werkzaamheid van een enzym is zijn actieve centrum verantwoordelijk.
Dit ontstaat door een speciale vouwing van de polypeptideketen waaruit het enzym bestaat. Hierdoor vormt zich aan het oppervlak een structuur die precies past bij het substraat.
Net zoals een sleutel alleen in een bepaald slot past, bindt ook het substraat alleen aan het actieve centrum van "zijn" enzym.
Om te functioneren hebben de meeste enzymen bovendien een "helper" nodig, het zogenaamde co-enzym.
Dit is nodig omdat het enzym zelf niet direct aan de chemische reactie deelneemt, maar alleen de reactanten op de juiste manier samenbrengt.
Alleen het co-enzym wordt tijdens de enzymreactie veranderd door elektronen of atomen van het substraat op te nemen of aan het substraat af te geven.
Co-enzymen zijn meestal complex opgebouwde organische moleculen en in principe geen eiwitten.
Vaak zijn co-enzymen afgeleid van vitamines.
De snelheid waarmee een enkel enzymmolecuul substraten in producten omzet, is enorm. Het kan enkele honderdduizenden substraatmoleculen per seconde bereiken.
Factoren die enzymatische reacties beïnvloeden
Veel enzymen werken niet alleen met co-enzymen, maar ook met bepaalde ionen zoals Mg2+, Fe2+ of Zn2+. Als deze ionen ontbreken, is de enzymfunctie aangetast.
Bovendien zijn lichaamstemperatuur en pH-waarde zeer belangrijk voor de enzymactiviteit. Bij stijgende temperatuur neemt de substraatomzettingssnelheid van een enzym aanvankelijk sterk toe.
Bij hoge temperaturen, bijvoorbeeld koorts boven 41 °C, wordt het enzym echter beschadigd en zijn eiwitstructuur vernietigd. Dan daalt de omzettingssnelheid bijna tot nul.
De enzymfunctie hangt bovendien af van de pH-waarde. Voor de meeste intracellulaire enzymen is een pH-waarde van ongeveer 7,2 optimaal.
Extracellulair werkende enzymen, zoals de eiwitsplitsende pepsines in de maag, hebben daarentegen meestal een duidelijk ander pH-optimum.
Oxidatie en reductie
De werkwijze van enzymen en co-enzymen kan worden geïllustreerd aan de hand van twee bijzonder veelvoorkomende reactievormen van de stofwisseling:
- de oxidatie (oxidatiereactie)
- en de reductie (reductiereactie)
Men spreekt van oxidatie wanneer een molecuul elektronen afgeeft. Meestal gebeurt dit door afgifte van waterstofatomen, dus telkens één elektron en één proton.
Oxidatie is alleen mogelijk als een andere stof de afgegeven elektronen in een tegenreactie weer opneemt.
Het opnemen van elektronen wordt reductie genoemd. Vaak gebeurt de reductie door opname van waterstofatomen, dus telkens één elektron en één proton.
Bij de hierboven beschreven oxidatiereactie vindt tegelijkertijd de reductie van het betrokken co-enzym NAD+ plaats:
NAD+ + 2 H– + 2 Elektronen >> NADH + H+.
NAD+ (nicotinamide-adenine-dinucleotide) is een complex opgebouwd co-enzym en is afgeleid van het vitamine nicotinezuur. Het vervult in de stofwisseling de belangrijkste rol als drager van elektronen of waterstofatomen.
Bij de genoemde oxidatie van lactaat naar pyruvaat wordt het co-enzym van NAD+ gereduceerd tot NADH + H+.
Per saldo neemt NAD+ niet beide afgegeven waterstofatomen op, maar één proton en twee elektronen.
Hieruit volgt: oxidatie- en reductiereacties zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden, men spreekt van redoxreacties.
Telkens wanneer een stof geoxideerd wordt, moet een andere gereduceerd worden.
Onder geschikte omstandigheden kan de reactie ook in omgekeerde richting verlopen. Dan wordt pyruvaat gereduceerd, neemt dus elektronen of waterstofatomen op, en wordt NADH geoxideerd. Daarbij geeft NADH twee elektronen en één proton af.
Ongeacht de reactierichting is deze altijd gebonden aan een specifiek enzym, in het genoemde voorbeeld aan de LDH (lactaatdehydrogenase).
Zonder dit enzym verloopt de reactie extreem langzaam en komt er geen noemenswaardige omzetting van het substraat tot stand.
