Upgrade je kennis, deel 1 - Aminozuren

De bouwstenen van het lichaam

De moleculen aminozuren zijn de bouwstenen van proteïnen en zijn cruciaal voor ons lichaam. Ons lichaam bestaat voor ongeveer 20% uit proteïnen. Eiwitten worden in ons lichaam omgezet in aminozuren en spelen een sleutelrol in bijna alle biochemische processen in het lichaam, zoals in het celmetabolisme, als energiemetabolieten, als essentiële voedingsstoffen en als boodschappers in celcommunicatie. Van de vijfhonderd geïdentificeerde aminozuren, komen er tweeëntwintig in menselijke eiwitten voor, de zogenoemde fundamentele aminozuren. Het lichaam kan een aantal aminozuren zelf synthetiseren, de niet-essentiële aminozuren. De essentiële aminozuren kunnen uitsluitend uit voeding of suppletie worden gehaald. In specifieke situaties kunnen niet-essentiële aminozuren toch essentieel zijn.

De eerste moleculen op aarde

Aminozuren verschenen als een van de eerste organische moleculen op aarde. Voordat we kijken naar het evolutionaire ontstaan van deze basisbouwstenen van het leven, zoomen we eerst in op een inherente eigenschap van aminozuren, namelijk de voorkeur voor zogenoemde ‘linkshandigheid’ ofwel de biologische homochiraliteit van aminozuren.

Voorkeur voor één ruimtelijke vorm: homochiraliteit

Louis Pasteur ontdekte in de negentiende eeuw dat sommige moleculen in twee ruimtelijke vormen kunnen voorkomen: linksdraaiend (of linkshandig) en rechtsdraaiend (rechtshandig). Dat betekent dat deze moleculen zogezegd chiraal zijn, ze bestaan in twee spiegelbeeldisomeren, aangeduid met de letters d (dextro = rechts) en l (laevo = links). Nu zou je verwachten dat er in de natuur evenveel rechtsdraaiende als linksdraaiende moleculen voorkomen. Dat is echter niet zo. In levende organismen komen veel organische moleculen slechts in één van de twee vormen voor. Dat verschijnsel heet biologische homochiraliteit.

Redenen voor biologische homochiraliteit

In levende organismen worden aminozuren dus door één spiegelbeeldisomeer vertegenwoordigd en wel de (linksdraaiende) l-aminozuren (L-enantiomeren). Suikers daarentegen zijn rechtsdraaiend (d-suikers). Rechtsdraaiende aminozuren en linksdraaiende suikers komen niet voor. Aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten. Eiwitten zijn daardoor ook allemaal in de linksdraaiende vorm aanwezig in organismen. DNA- en RNA-moleculen zijn opgebouwd uit d-suikers en hebben dus een rechtsdraaiende d-vorm. Homochiraliteit is essentieel voor het functioneren van DNA, RNA en eiwitten. Als eiwitten uit een mengvorm van linksdraaiende en rechtsdraaiende aminozuren zouden bestaan, zouden ze hun functie niet meer kunnen vervullen. Hoe is deze voorkeur voor slechts één van beide vormen ontstaan? De antwoorden hierop lopen uiteen.

Circulair gepolariseerd licht breekt D-enantiomeren af

Ons sterrenstelsel kent een magnetisch veld dat in een soort kurketrekker-spiraal door de ruimte beweegt. De spiraalbeweging kan links- of rechtsom plaatsvinden. Interstellaire magneetvelden in de melkweg kunnen die richting beïnvloeden door stofdeeltjes tussen de sterren op te laden. Licht dat door dat stof beweegt, krijgt een cirkelpolarisatie. Dit circulair gepolariseerde licht breekt de D- enantiomeren van aminozuren meer af dan L-enantiomeren. Dit effect wordt waargenomen bij aminozuren die op kometen en meteoren worden aangetroffen. Dit verklaart waarom, althans in de melkweg, L-enantiomeren de voorkeur hebben.

Straling en zwaartekracht breken D-enantiomeren af

Hoewel de zwaartekracht, het elektromagnetisch en het magnetisch veld achiraal zijn, is zwakke kernkracht (radioactief verval) chiraal. Tijdens bètaverval geven de uitgezonden elektronen de voorkeur aan één soort spin. Deze chirale elektronen breken wederom bij voorkeur D-aminozuren af en geen L-aminozuren.

Kortom, een duidelijke voorkeur voor linkshandig

Ook al valt er nog veel te onderzoeken, duidelijk is in elk geval dat in abiogenese (het ontstaan van het leven uit dode materie) en in processen die de oorsprong van het leven op aarde veroorzaken, de gelijkheid ofwel de pariteit tussen linkshandige aminozuren en hun rechtshandige spiegelbeelden, werd verstoord. Aminozuren, als basisbouwstenen van het leven, kennen de linkervorm.

Betrokken in bijna elk levensproces

Als bouwstenen van eiwitten zijn aminozuren betrokken in bijna elk levensproces. Ook spelen ze een sleutelrol als voorloper in veel werkingsmechanismen in het lichaam. Aminozuren spelen een centrale rol in het celmetabolisme. Tot op heden hebben wetenschappers meer dan vijfhonderd aminozuren in de natuur ontdekt. Slechts tweeëntwintig aminozuren nemen echter deel aan translatie in het lichaam; de vertaling van m-RNA in een keten van aminozuren, ofwel de opbouw van eiwitten.

De evolutie van de aminozuursynthese begrijpen

Ook al is er steeds meer bekend over de evolutie van aminozuren, veel vragen over de synthese van aminozuren zijn nog onbeantwoord. In welke volgorde zijn aminozuren bijvoorbeeld verschenen? Hoeveel aminozuren worden er nu exact in de eiwitsynthese gebruikt? Hoeveel aminozuren bestonden er toen het leven begon? Werden er aanvankelijk meer dan tweeëntwintig aminozuren gebruikt in de eiwitsynthese, maar werd dit in een selectief proces gereduceerd tot tweeëntwintig? Of bestonden er in aanvang juist minder dan tweeëntwintig aminozuren en verschenen er in de loop van de tijd steeds nieuwe aminozuren die betrokken werden in de eiwitsynthese? En hoe, en in welk tempo, zijn de metabole routes voor aminozuursynthese ontstaan? 

Dit zijn vragen waarin de nieuwe generatie wetenschappers - met behulp van verschillende hypothesen en methodes - hun tanden kunnen zetten.

Ontstaan uit de oersoep of via enzymatische reacties?

In 1953 probeerden wetenschappers de omstandigheden van de oorspronkelijke aarde opnieuw te creëren. In een kolf combineerden ze ammoniak, waterstof, methaan en waterdamp met elektrische vonken. Ze ontdekten dat er nieuwe moleculen werden gevormd en ze identificeerden deze moleculen als elf standaard aminozuren.

Op basis van deze waarneming werd gesteld dat de eerste organismen waarschijnlijk zijn ontstaan in een omgeving die vergelijkbaar is met die in hun kolf. Een omgeving rijk aan organische verbindingen ofwel de zogenoemde ‘oersoep’. In deze oersoep zouden eencellige organismen zich verder hebben geëvolueerd. Tegenwoordig komen aminozuren met name voort uit biosynthetische enzymatische reacties, en niet uit ‘geëlektrificeerde oersoep’.

Synthese via metabole pathways

Een reeks biochemische reacties waarin aminozuren worden gesynthetiseerd of afgebroken heet een route of een pathway. Aminozuren kunnen op verschillende manieren worden gesynthetiseerd, bijvoorbeeld in eenvoudige stappen uit precursormoleculen. Aminozuren kunnen ook worden gesynthetiseerd uit tussenstappen van de glycolyse of citroenzuurcyclus. Essentiële aminozuren, die we uit voeding moeten halen, hebben meer stappen nodig om te worden gesynthetiseerd. Er zijn tussen de één en dertien biochemische reacties nodig om de verschillende aminozuren te produceren uit hun voorlopers van het centrale metabolisme.

Stikstof en ammoniak

Zoals zichtbaar aan het woord amine in aminozuur, is stikstof het belangrijkste atoom in de aminozuursamenstelling. De ultieme stikstofbron voor de biosynthese van aminozuren is moleculaire stikstof (N2), een bijna inert gas. Alle organismen kunnen aminozuren maken met behulp van ammoniak (NH3). Bij mensen komt ammoniak het lichaam binnen via voedingsbronnen die aminozuren bevatten. De enzymen glutamaat-dehydrogenase en glutamine synthetase zetten ammoniak vervolgens weer om in respectievelijk glutamaat en glutamine. Amino- en amidegroepen van deze twee verbindingen kunnen vervolgens door de organische reacties transaminering en transamidatie worden overgebracht naar andere bruggen van koolstofatomen om aminozuren te maken.

Glutamine als universele donor

Alle aminozuren, met uitzondering van proline, bestaan uit een ten minste één aminogroep (NH2) en een carboxylgroep (COOH). Glutamine is een universele donor van aminogroepen voor de vorming van vele andere aminozuren en biosynthetische producten. Glutamine is ook een belangrijke metaboliet voor de opslag van ammoniak.

Belangrijke biochemische functies

Wetenschappers erkennen nu tweeëntwintig aminozuren als bouwstenen van eiwitten. Daarnaast hebben aminozuren nog andere belangrijke biochemische functies. Het zijn bijvoorbeeld ook energiemetabolieten en essentiële voedingsstoffen. Aminozuren kunnen ook fungeren als chemische boodschappers in de celcommunicatie.

Essentieel, semi-essentieel en niet-essentieel

De indeling in essentieel, semi-essentieel en niet-essentieel betekent niet dat de ene groep belangrijker is in het lichaam dan de andere groep. Alle aminozuren dienen in voldoende mate in het lichaam aanwezig te zijn, dan wel door voeding of door eigen synthese. Factoren als leeftijd, stress, belasting, voeding, gezondheid zijn van invloed op de hoeveelheid aminozuren die beschikbaar en nodig zijn en/of gesynthetiseerd worden.

De acht essentiële aminozuren zijn: isoleucine, leucine, lysine, methionine, fenylalanine, threonine, tryptofaan en valine. Arginine en histidine zijn semi-essentieel, ofwel essentieel in bepaalde omstandigheden. De tien niet-essentiële aminozuren zijn: alanine, asparagine, asparaginezuur, cysteïne, glutamine, glutaminezuur, glycine, proline, serine en tyrosine. In 2015 zijn de twee laatste aminozuren ontdekt: selenocysteïne en pyrrolysine.

Van aminozuren naar peptideverbindingen

Aminozuren worden aan elkaar gebonden doordat de carboxylgroep van het ene aminozuur een binding vormt met de aminogroep van een ander aminozuur, waarbij H2O (water) zich afsplitst. Dit is een peptideverbinding. Op die manier kunnen verschillende soorten eiwitten ontstaan, zoals dipeptiden (2 aminozuren), tripeptiden (3 aminozuren), oligopeptiden (minder dan 10 aminozuren) en proteïnen (een keten van meer dan 50 aminozuren).

Di-, tri-, oligopeptiden en proteïnen

Carnosine is bijvoorbeeld een dipeptide die uit de twee aminozuren β-alanine en histidine bestaat. Glutathion is een voorbeeld van een tripeptide en bestaat uit een verbinding van de aminozuren cysteïne, L-glutaminezuur en glycine. Eiwitten of proteïnen bestaan uit polymere ketens van aminozuren. Ze hebben diverse functies in het lichaam, als bouwstof voor celstructuren en het cytoskelet, als enzymen die biochemische (omzettings)reacties in het lichaam katalyseren en als afweerstoffen, zoals immunoglobulinen in ons immuunsysteem.