of eiwitten (scheikunde) zijn uitsluitend door de levende cel gevormde hoogmoleculaire stoffen, vnl. bestaande uit met elkaar gekoppelde aminozuren, als geheel samengesteld uit koolstof, zuurstof, waterstof, 10 tot 16 pct stikstof en 0 tot 3 pct zwavel.
Indeling
Nog geen 25 jaar geleden vond men deze stoffen in de leerboeken der organische chemie in één hoofdstuk stiefmoederlijk samengevat, opgesomd en beschreven. Zij vormden een hinderlijke, onbekende enclave tussen de vele zo goed bekende organische verbindingen. Deze situatie is thans geheel veranderd; op het ogenblik staan de eiwitten, dank zij het onderzoek dat inmiddels heeft plaats gevonden, in het brandpunt der belangstelling en het is duidelijk, dat, al kennen wij hun structuur nog niet geheel, het inzicht in deze stoffen regelrecht tot een grote verdieping van onze kennis van het biologische leven zelf zal voeren. De primitieve oude indeling van de eiwitten, min of meer op grond van hun oplosbaarheid, in eigenlijke eiwitten, proteïden en albuminoïden, is heden ten dage volkomen vervallen. En er is geen andere manier meer om op het ogenblik de eiwitten anders te zien, te rangschikken en in te delen dan als individuele specifieke producten van de levende cel.
Iedere dierlijke, plantaardige of microbiologische cel is in de eerste plaats in staat haar eigen celeiwit, bijv. protoplasma, cytoplasma en nucleoplasma te vervaardigen. Maar bovendien zijn vele van deze cellen, in het bijzonder de meer gespecialiseerde cellen van plant en dier, in staat speciale eiwitten te produceren, meestal noodzakelijk voor speciale functies van het geheel, die hetzij naar buiten worden afgescheiden, hetzij in de cel worden opgehoopt. Zodoende zou men volgens afkomst en functie de eiwitten het beste kunnen indelen in:
I. typische celeiwitten;
II. typische celproducteiwitten:
a. kliereiwitten;
b. opstapelingseiwitten.
Tot groep I, de typische celeiwitten, zullen in de eerste plaats die eiwitten moeten worden gerekend, die de cel zelf opbouwen en die de feitelijke levende machinerie van iedere cel vormen. Met de microscoop zijn in de cel sterk gespecialiseerde structuren te zien, zoals die van het cytoplasma, de kern, de chromosomen, de celwand, enz., die tot deze groep gerekend moeten worden. Chemisch is van deze eiwitten op het ogenblik over het algemeen nog weinig anders bekend dan dat het meestal nucleoproteïnen zijn, d.w.z. eiwitten die, behalve aminozuren, ook nucleïnezuren bevatten. De isolatie van deze celonderdelen is moeilijk, omdat de cel veelal een grote structurele eenheid vormt, zodat men op deze wijze niet veel opschiet. Onze kennis van deze eiwitten ontleent men dan ook meer aan histochemisch onderzoek, waarbij met kleurstoffen of andere reagentia in het histologische praeparaat op chemische groepen gereageerd wordt, of aan onderzoek met ultraviolet licht in de ultraviolet-microscoop, waarbij bijv. de nucleïnezuren een sterke lichtadsorptie geven bij een bepaalde golflengte. Daarmee is aan te tonen, dat deze nucleoproteïnen het feitelijke levensapparaat van de cel vormen, dat in de eerste plaats voor leven, ademhaling en synthese van de cel aansprakelijk is te stellen.
De eiwitten van groep II, de typische celproducteiwitten, zijn veel beter bekend. In tegenstelling tot die van groep I produceert de cel deze in massa, waardoor men deze eiwitten, indien men bij hun isolatie van uit gelijksoortige cellen bestaande celmassa’s uit kan gaan, op behoorlijke schaal kan isoleren.
Tot de eiwitten van groep Ila behoren alle eiwitten, die in de klieren van het dier of de plant worden gevormd en naar buiten worden afgescheiden, de mucine en de amylase van de dierlijke speekselklier, het pepsinogeen van bepaalde maagcellen, het trypsinogeen van de pancreas, de darmenzymen, zijn eiwitten van deze groep. In de schildklier ontstaat thyroglobuline, in andere klieren der interne secretie andere hormonen met eiwitstructuur; in de lever en het reticulo endotheliale systeem de eiwitten van het bloedserum, albumine, globulinen en fibrinogeen\ in de pancreas in bijzondere cellen het, de bloedsuiker regelende, insuline. Ook in de plant, bijv. de vleesetende soorten, worden eiwitten geproduceerd en gesecerneerd, die aansprakelijk zijn voor het oplossen der gevangen insecten. Het ei-eiwit, dat deze groep stoffen zijn naam gaf, wordt geproduceerd door bepaalde kliercellen van het gesfachtsapparaat van de vogels, die de dooier er mee omhullen, voordat de schaal er om wordt gevormd, die zelf eveneens een eiwitproduct van bepaalde cellen is. Ook de in de mamma van de mens en de zoogdieren geproduceerde melkeiwitten behoren tot deze groep.
Tot de eiwitten van groep Ilb behoren die eiwitten, die men in aanzienlijke hoeveelheden in cellen opgeslagen vindt, zonder dat hier van een feitelijke afscheiding naar buiten sprake is. Bij de geheel gespecialiseerde mens en bij vele dieren treft men in de beschermende bovenste huid verhoornde cellen aan, gevuld met fibrillen van een zwavelhoudende eiwitsoort keratine, in de vorm van opperhuid, nagels, hoorn, haren, veren, hoeven, stekels, schildpad of baleinen. Daaronder in de onderhuid en op vele andere plaatsen in het lichaam vindt men de kollageen-fibrillen, die de cellen van het bindweefsel, de vliezen, de pezen, het kraakbeen en de beenderen grotendeels opvullen. De spieren bevatten naast het spiereiwit myosine, o.a. het rode myoglobin, terwijl de in het beenmerg geproduceerde rode bloedcellen uit haemoglobine bestaan. Bij de plant vindt in het bijzonder in de cellen van de zaden een ophoping van reserve-eiwitten plaats, die de jonge kiem de eerste tijd als stikstofhoudende voeding moeten dienen (edestine, gliadine, etc.).
Het zal duidelijk zijn, dat ook de hier onder Ila en Ilb beschreven eiwitsoorten slechts typen van eiwitten aanduiden. Deze eiwitten immers zijn van dier of plantensoort tot dier of plantensoort verschillend, zodat het aantal individuele eiwitten haast onbeperkt lijkt. Een individueel eiwit moet zowel door de producerende celsoort als door de naam van de plant of het dier zijn gekarakteriseerd.
Naast deze „natieve” eiwitten komen er andere voor, die door inwerking bijv. van enzymen uit de natuurlijke ontstaan. Uit het door de maagwandcellen gevormde pepsinogeen ontstaat pepsine, uit trypsinogeen trypsine en uit het bloedeiwit fibrinogeen de bloedvezelstof fibrine. Verder treden bij pathologische toestanden nieuwe eiwitten op, zoals bijv. bij infectieziekten de antistoffen en bij het plasmocytoom of multiple myeloom Bence Jones eiwitten. Ten slotte komt men door fysische of chemische invloeden gewijzigde eiwitten tegen, zoals bijv. de uit kollageen bereide stoffen lijm en gelatine.
Eigenschappen
Sinds lang kent men de voornaamste eigenschappen der eiwitten. Het zijn stoffen, die zeer gevoelig zijn voor fysische en chemische invloeden, zij denatureren meestal bij geringe temperatuursverhoging en zijn niet bestand tegen de inwerking van wat geconcentreerder basen en zuren. Zij zijn sterk aan bederf onderhevig, zodat ze slechts kunnen worden bewaard bij lage temperatuur of in gedroogde toestand. In laatstgenoemde toestand zijn ze geruime tijd onveranderd houdbaar. Door proteolytische enzymen, die tal van cellen afscheiden, worden ze aangetast.
In het electrische veld blijken eiwitten in waterige oplossing zich te bewegen, zij zijn positief geladen in zuur milieu, negatief in alkalisch. Bij een bepaalde zuurgraad, het iso-electrische punt, is het eiwit juist ongeladen; dit punt is karakteristiek voor elke soort eiwit. Het hangt nauw samen met de chemische samenstelling van het eiwit.
Reeds lang is bekend, dat eiwitten grote complexen zijn, opgebouwd uit aminozuren. Bij voorzichtige afbraak van een eiwit, bijv. door bepaalde enzymen, verkrijgt men brokstukken, peptiden, waarvan E. Fischer heeft aangetoond, dat ze uit ketens van naast elkaar geplaatste aminozuren bestaan. Deze peptiden laten zich bij meer ingrijpende afbraak in tri-, di-peptiden en aminozuren splitsen. Ieder eiwit levert bij totale splitsing een mengsel van een groot aantal — een twintigtal — zeer bepaalde aminozuren, welke karakteristiek voor het eiwit zijn. Een groot aantal aminozuren komt in elk eiwit voor, sommige eiwitten echter onderscheiden zich door de aanwezigheid of afwezigheid van bepaalde aminozuren, of deze komen in zeer grote of zeer kleine hoeveelheden er in voor. Kollageen bevat bijv. veel proline en oxyproline, maar weinig cystine of cysteïne. Protaminen bevatten veel arginine, enz. De in eiwitten voorkomende aminozuren zijn o.a. glycocol, alanine, serine, cysteïne, cystine, valine, leucine, isoleucine, norleucine, proline, oxyproline, methionine, threonine, asparaginezuur, glutaminezuur, arginine, histidine, lysine, phenylalanine, tyrosine en tryptophaan.
Eiwitten worden ook wel gekarakteriseerd door bepaalde chemische reacties, zoals de xanthoproteïne reactie, Millon’s reactie, Adamkiewicz’s reactie, enz.; in wezen berusten deze reacties op de chemische activiteit van bepaalde aminozuren, die er in voorkomen.
Als gevolg van hun verschillende samenstelling en structuur kunnen de diverse eiwitten zeer verschillende eigenschappen hebben. Het de hoorn in vele vormen opbouwende eiwit keratine is onoplosbaar in water en zeer resistent. Ei-eiwitten en serumeiwitten stollen bij verwarmen, wat de melkeiwitten weer niet doen, terwijl gelatine in het geheel niet denatureert bij koken en juist bij lage temperatuur gelen vormt. De gel vorming van fibrinogeen verloopt bij matige temperatuur weer sneller dan in de kou. De meeste eiwitten slaan neer bij toevoeging van alkohol; gliadine daarentegen lost door alkohol toevoeging beter op. Tot ca 1925 bekeek men op grond van deze eigenschappen de eiwitten in feite met andere ogen dan de andere organische stoffen en men veronderstelde dat ze wel uit complexe deeltjes, van min of meer wisselende grootte, zouden bestaan.
Het moderne eiwitonderzoek
De basis van het moderne eiwitonderzoek werd in 1926 door de Zweed Svedberg door middel van zijn studies met de ultracentrifuge gelegd. Hij kon aantonen, dat in het homogene, zeer sterk centrifugale veld van de door hem gebouwde zeer snel lopende ultracentrifuge alle eiwitdeeltjes van een bepaalde soort met dezelfde snelheid uitcentrifugeren. Dit betekent, dat al deze deeltjes een zelfde gewicht hadden. Svedberg aanvaardde de consequentie van zijn vondst en sprak verder van het moleculairgewicht van deze eiwitdeeltjes. In den beginne deden moleculairgewichten van bijv. 68 000 voor haemoglobine en 6 000 000 voor het slakkenbloedeiwit haemocyanine vreemd aan, waar men op dat tijdstip nauwelijks moleculen kende met een moleculairgewicht boven 1000, maar het verdere onderzoek heeft zijn uitspraak volkomen bevestigd. Op het ogenblik bestaat er geen twijfel meer aan de gedachte, dat de oplosbare natieve eiwitten uit heel grote concrete moleculen bestaan, die volkomen kunnen worden vergeleken met de kleinere moleculen, die wij kennen, maar die ook stuk voor stuk volkomen aan elkander gelijk zijn.
Het onderzoek van Svedberg en navolgers met de ultracentrifuge toonde verder aan, dat alle natieve eiwitten uit geheel gelijke moleculen, dus uit één soort bestaan. Wel is waar heeft het moderne eiwitonderzoek tevens bewezen, dat een bepaalde cel meestal een aantal eiwitsoorten tegelijkertijd maakt, zodat eiwitten gewoonlijk als mengsels voorkomen, echter de afzonderlijke componenten van deze mengsels bestaan uit gelijke moleculen. De lichtste eiwitmoleculen hebben een moleculairgewicht van 17 500, de zwaarste wegen vele millioenen maal het gewicht van het H-atoom. Ca 1938 heeft Svedberg de veronderstelling geuit, dat de moleculairgewichten van de eiwitten steeds voorgesteld zouden kunnen worden door 2n-3m. 17 500.
De uit hetzelfde Instituut voortkomende Zweedse onderzoeker Tiselius heeft met behulp van een door hem ontwikkeld electrophorese-apparaat de mogelijkheid geschapen de analytische samenstelling van deze mengsels van eiwitten kwalitatief en kwantitatief te bepalen, terwijl het toestel tevens de gelegenheid schept om kleine hoeveelheden van sommige eiwitten zuiver te isoleren. Met deze op ladingsverschillen der eiwitten gebaseerde methode was het mogelijk, op een geheel onafhankelijke wijze de uitspraak van Svedberg over de moleculaire bouw van eiwitten te bevestigen. Ook in het electrophorese-apparaat bleken alle moleculen van een bepaalde eiwitsoort met dezelfde snelheid in het electrische veld te bewegen, d.w.z. dezelfde lading te hebben. Deze vondsten hebben buitengewoon stimulerend op het gehele eiwitonderzoek gewerkt. De overtuiging immers, dat men een bepaalde eiwitsoort kan isoleren en op zuiverheid kan controleren, gaf het vertrouwen, dat nodig is om over te gaan tot de aanval op de samenstelling en de structuur van de eiwitmoleculen.
Zo werd in de laatste tien jaar het onderzoek naar de aminozuursamenstelling van vele eiwitsoorten bij verschillende eiwitten met vrucht aangepakt en de vrijwel complete tabel der aminozuursamenstelling van een aantal eiwitten is thans gepubliceerd. Nieuwe analytische methoden, zoals de chromatografische*, microbiologische en die met behulp van radioactieve isotopen zijn daarbij met succes gebruikt. Bij de chromatografische methoden scheidt men de aminozuren in principe in een kolom met een adsorptiemiddel of ook wel in een strook papier en men analyseert de gescheiden hoeveelheden. De microbiologische methoden berusten er op, dat verschillende micro-organismen bepaalde aminozuren voor hun groei nodig hebben; geeft men deze organismen nu een voedingsbodem waaraan een bepaald aminozuur, dat noodzakelijk is voor groei, ontbreekt, en voegt men nu een bepaalde hoeveelheid van de op ditzelfde aminozuur te onderzoeken stof toe, dan kan men uit de snelheid van groei de hoeveelheid van het te bepalen aminozuur concluderen. Bij gebruik van radioactieve isotopen maakt men een met een radioactief atoom „gemerkt” aminozuur van een bepaalde soort, men voegt dit toe aan het te onderzoeken mengsel, isoleert een fractie waarin het te bepalen aminozuur voorkomt en bepaalt hiervan de radioactiviteit. Uit de verhouding van de gevonden en de oorspronkelijke radioactiviteit van het gemerkte aminozuur kan men afleiden, welk deel ook van het ongemerkte aminozuur geïsoleerd is geworden, en hieruit de conclusie trekken hoeveel van dit aminozuur aanwezig was.
Op het ogenblik weet men van een aantal eiwitten precies hoeveel moleculen er van elk aminozuur in het eiwitmolecule aanwezig zijn. Het kleinste eiwit bevat ca 140 aminozuren, het grootste duizenden, meestal verdeeld over een 20 soorten. Van de structuur der eiwitten zelf, d.w.z. van de onderlinge rangschikking van de opbouwende elementen, en van de gedetailleerde verdere opbouw is experimenteel met zekerheid maar weinig bekend. Alleen heeft het Röntgenografisch onderzoek Fischer’s opvatting volkomen bevestigd (Astbury).
Theoretisch vormt het probleem van hun structuur een enorm interessant onderwerp; deze structuur is immers gevormd door de cel, of beter weer door eiwitten van de cel. En zonder twijfel zal men in de structuur van deze grote moleculen de synthetische apparatuur, die hen vormde, er in weerspiegeld vinden. En zo dringt men, via de eiwitten, diep door in het probleem der biologische synthese (hoe maakt in de cel het éne molecule het andere) en in het hart van het biologisch leven.
Functie van eiwitten
In de plantenwereld komen de eiwitten vnl. intracellulair voor als celapparatuur en als reserve-eiwitten in zaden. Als steunstof worden daar meestal koolhydraten gebruikt. In het dier is dit anders; daar is bijna het gehele lichaam uit eiwitten opgebouwd, ook de steunstoffen en de celwanden. De voor dit laatste doel gebruikte eiwitten hebben hier een passieve functie. Vele eiwitten hebben echter een actieve chemische functie; zij bezitten speciale groepen waarmee zij deze functies uitoefenen. Over de eigenlijke celeiwitten, die meestal nucleoproteïnen zijn, werd reeds gesproken; hun komt onder meer een synthetische functie toe; het chlorophyleiwit bewerkstelligt de C02 reductie met een speciale Mg bevattende groep; verschillende haemine bevattende eiwitten zijn verantwoordelijk voor zuurstoftransport of -reserve; alle in het maag-darmkanaal voor de spijsvertering afgescheiden proteolytische, lipolytische en amylolytische fermenten of enzymen zijn eiwitten, welker functie het is plantaardig of dierlijk voedsel af te breken. Eveneens zijn verschillende hormonen, zoals bijv. het insuline, eiwitten. Het genoemde hormoon regelt de hoeveelheid glucose, die in het bloed vrij voorkomt.
De functies van pathologische eiwitten: van virussen en het Bence Jones eiwit, moeten als disfuncties worden gezien, terwijl het ontstaan van antistoffen, na doorstaan van verschillende infectieziekten, het individu voor een tweede infectie beschermt. Bij nader onderzoek blijkt steeds weer, dat de speciale functie van een eiwitsoort gebonden is aan een zeer bepaald onderdeel van het molecule. Inactiveert men met behulp van een chemische reactie deze bepaalde groepen van het eiwit, zonder het eiwit verder te beschadigen, dan verdwijnt gelijktijdig de karakteristieke eigenschap, die deze functie uitmaakt. Ijzerhoudende ademhalingsfermenten worden met blauwzuur, dat zich met ijzer bindt, onwerkzaam, enzymen worden inactief door blokkering van bepaalde amino- of hydroxy-groepen.
De eiwitten van de plant vormen voor de plant het levende element en de stikstofreserve. Voor de mens en het dier vormen ze uiteindelijk de enige bron van stikstof en een belangrijke bron van voeding. In het dier worden de voedingseiwitten totaal afgebroken voordat ze voor opbouw van de eigen eiwitten gaan dienst doen. Deze afbraak garandeert het zich met eiwitten van verschillende origine voedende dier een volledige onafhankelijkheid bij eigen synthese. Het stofwisselingsonderzoek met radioactieve isotopen heeft ook aangetoond, dat in hetzelfde dier steeds op grote schaal afbraak en opbouw van eiwit naast elkaar plaats vindt.
Toepassingen van eiwitten.
Het overgrote deel der eiwitten dient nog steeds voor voedingsdoeleinden; zelfs het oneetbare bindweefsel van pezen, beenderen en huiden wordt tot eetbare gelatine verwerkt.
De geheel onoplosbare delen zoals haren, schildpad, hoorn, baleinen enz. vinden technische toepassing in de textielindustrie en als versiering. Men heeft in de laatste jaren getracht eiwitten ook al grondstoffen voor hoogpolymere stoffen te gebruiken; zo werd uit caseïne van de melk een vezel product, melkwol, vervaardigd. Als lijm dienen o.m. de uit bindweefsel bereide beenderlijm en de uit caseïne gemaakte caseïnelijm.
DR L. W. JANSSEN
Lit.: E. J. Gohn, J. T. Edsall, Proteins, Amino Acids and Peptides (New York 1943); M. L. Anson, J. T. Edsall, Advances in Protein Chemistry, verschillende dln sedert 1944 (New York); Svedberg and Pedersen, The Ultracentrifuge (Oxford 1940).
