h 1 bio grote sv
MENSELIJKE BIOLOGIE EN ZIEKTELEER
HOOFSTUK 1: DE CHEMIE VAN LEVENDE DINGEN
1.2 ATOMEN COMBINEREN TOT MOLECULEN
Een derde soort aantrekkingskracht treedt op tussen moleculen die geen nettolading hebben. Kijk nog eens naar de watermolecule in figuur 1.5 en zie dat de twee waterstofatomen niet aan de uiteinden van de watermolecule zitten, maar vrij dicht bij elkaar. Hoewel de zuurstof en de twee waterstofatomen elektronen delen, is het delen ongelijk. De gedeelde elektronen in een watermolecuul brengen iets meer tijd door bij het zuurstofatoom dan bij de waterstofatomen, omdat het zuurstofatoom sterker elektronen aantrekt dan de waterstofatomen. De ongelijke verdeling geeft het zuurstofgebied van een watermolecuul een gedeeltelijk negatieve lading en de twee waterstofgebieden een gedeeltelijk positieve lading, ook al is het watermolecuul als geheel elektrisch neutraal.
Moleculen zoals water, die over het geheel genomen elektrisch neutraal zijn, maar toch gedeeltelijk geladen gebieden of polen hebben, worden polaire moleculen genoemd.
Volgens het principe dat tegenpolen elkaar aantrekken, polaire moleculen schikken zich zo dat de partiële negatieve pool van het ene molecuul gericht is op (aangetrokken wordt door) de partiële positieve pool van een ander molecuul. De zwakke aantrekkingskracht tussen tegengesteld geladen gebieden van polaire moleculen die covalent (gebaseerd op het delen van de elektronen van de buitenste zin, binding gebeurd door elektronen)gebondhttps://knowt.com/study/note/5470bf7b-8497-49f7-9313-56955a15eeef/testen waterstof bevatten, wordt een waterstofbrug genoemd.
Watermolecule: zuurstofatoom (met name de kern) = groter dus meer aantrekkingskracht naar elektronen, daarom polair. Door polariteit: aantrekking tot andere ionen en de vorming van watermanteltjes.
Waterstofbruggen zijn belangrijk in biologische moleculen. Zij geven eiwitten hun driedimensionale vorm en houden de twee strengen van het DNA-molecuul bij elkaar. De structuren van zowel eiwitten als DNA worden verderop in dit hoofdstuk beschreven.
Hoewel er bijna 100 verschillende elementen in de natuur voorkomen, zijn levende organismen uit een beperkt aantal daarvan opgebouwd. In feite bestaat ongeveer 99% van uw lichaamsgewicht uit slechts zes elementen: zuurstof, koolstof, waterstof, stikstof, calcium en fosfor. Deze specifieke elementen zijn vooral belangrijk omdat ze stabiel zijn en omdat ze gemakkelijk ionen vormen, waardoor ze zich met andere elementen kunnen verbinden tot de vele moleculen
van het leven. Maar ook sommige minder gebruikelijke elementen zijn belangrijk. Zonder hen zou het leven op aarde niet mogelijk zijn.
Laten we vervolgens eens kijken naar enkele van de belangrijkste stoffen van levende systemen: water, waterstofionen en een groot aantal moleculen met een ruggengraat van koolstofatomen.
Recapitulatie: Elektronen die het verst van de kern verwijderd zijn, hebben meer potentiële energie dan elektronen dicht bij de kern. Tussen atomen ontstaan sterke covalente bindingen als ze elektronenparen delen, ionische bindingen ontstaan tussen tegengesteld geladen ionen, en zwakke waterstofbruggen ontstaan tussen tegengesteld geladen delen van polaire moleculen.
1.3 HET LEVEN IS AFHANKELIJK VAN WATER
Geen enkel molecuul is zo essentieel voor het leven als water. Het maakt 60%/ 70% (niet 100% want ook zouten) van het lichaamsgewicht uit (leven op aarde ontstaan in de zee en dan na miljarden Jaren zijn er eencellige organismen ontstaan -> meercellige organismen nog altijd cellen in waterig milieu –> geen normaal water maar zeewaterachtig).
De volgende eigenschappen van water zijn bijzonder belangrijk voor levende organismen:
Water is een uitstekend oplosmiddel.
Water is vloeibaar bij lichaamstemperatuur.
Water kan warmte-energie opnemen en vasthouden.
Verdamping van water verbruikt warmte-energie.
Water neemt deel aan essentiële chemische reacties.
Een oplosmiddel is een vloeistof waarin andere stoffen oplossen, en een opgeloste stof (solute) is elke opgeloste stof. Water is het ideale oplosmiddel in levende organismen, juist omdat het bij lichaamstemperatuur een polaire vloeistof is. Als oplosmiddel van het leven is water de stof waarin de vele chemische reacties van levende organismen plaatsvinden. Laten we eens kijken naar een eenvoudig voorbeeld van het oplossen van een opgeloste stof in water om beter te begrijpen hoe de polaire aard van water de reactie vergemakkelijkt:
Beschouw een veel voorkomende en belangrijke vaste stof: kristallen van natriumchloride (NaCl) of keukenzout.
Kristallen van keukenzout bestaan uit een regelmatig, zich herhalend patroon van natrium- en chloride-ionen die door ionische bindingen bij elkaar worden gehouden (figuur 1.8). Wanneer zout in water wordt gelegd, worden de afzonderlijke ionen Na+ en Cl uit het kristal getrokken en onmiddellijk omringd door de polaire watermoleculen. De watermoleculen vormen zo'n hechte cluster rond elk ion dat ze niet meer terug kunnen naar de kristalvorm. Met andere woorden, het water houdt de ionen opgelost.
Merk op dat de watermoleculen rond de ionen zijn georiënteerd volgens het principe dat
tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Polaire moleculen die door water worden aangetrokken en er gemakkelijk mee interageren, worden hydrofiele moleculen genoemd (Grieks voor "waterminnend").
Niet-polaire, neutrale moleculen zoals bakolie reageren niet gemakkelijk met water en lossen er meestal niet in op. Ze worden hydrofoob genoemd (Grieks voor "watervrezend"). Wanneer water en olie worden gemengd, hebben de watermoleculen de neiging waterstofbruggen met elkaar te vormen, waardoor de olie wordt uitgesloten van gebieden die door water worden bezet. Na verloop van tijd wordt de olie in steeds grotere druppels samengedrukt, totdat hij volledig van het water is gescheiden.
Oefening: Een rode kleurstof wordt in een vat gedaan dat een gelijke hoeveelheid bakolie en water bevat. Nadat het mengsel is geschud, zie je dat het water rood is, maar de olie niet. Wat kun je, uitgaande van wat je weet over de eigenschappen van olie en water, zeggen over de kleurstof: Bestaat het uit neutrale, polaire of geladen moleculen? Leg je redenering uit.
Water is vloeibaar bij temperaturen tussen 0 en 100 graden, omdat er binnen dit temperatuurbereik net genoeg warmte-energie in water zit om tijdelijk enkele van de zwakke waterstofbruggen tussen watermoleculen te verbreken. Nieuwe waterstofbruggen zullen zich snel weer vormen met andere watermoleculen in de buurt, maar het patroon van binding tussen aangrenzende watermoleculen is schijnbaar willekeurig (figuur 1.9a).
Wanneer de temperatuur echter onder nul graden Celsius daalt, is er niet langer voldoende warmte-energie om de waterstofbruggen tussen watermoleculen te verbreken. Onder nul graden Celsius oriënteren de watermoleculen zich in een stabiele, onveranderlijke rigide roosterstructuur (ijs; figuur 1.9b), want je stopt thermische beweging en de moleculen zetten zich meer op basis van hun waterstofbruggen. Beweging in lichaam is super belangrijk: bij bevriezen van lichaam valt beweging stil en dus probleem in weefsels en dus schade, ook door ontstaan van ijskristallen (puntig) gevaarlijk want cellen worden doorprikt door deze watermoleculen.
Aan de andere kant van de temperatuurschaal (boven 100 graden Celsius) worden alle waterstofbruggen tussen aangrenzende watermoleculen volledig verbroken en ontsnappen watermoleculen als gas in de atmosfeer (waterdamp; figuur 1.9c).
Omdat water bij lichaamstemperatuur een vloeistof is, is het een uitstekend medium voor het transport van opgeloste stoffen van de ene plaats naar de andere in ons lichaam. Transport is de belangrijkste functie van het bloed (dat voor ongeveer 90% uit water bestaat) in ons hart- en vaatstelsel. Onder druk van het hart transporteert het bloed zuurstof en voedingsstoffen naar alle levende cellen en cellulaire afvalstoffen (waaronder koolstofdioxide) weg van de cellen.
Water is het hoofdbestanddeel van alle met vloeistof gevulde ruimten in ons lichaam. Het vult onze cellen (de intracellulaire ruimte); het beslaat de ruimten tussen de cellen (de intercellulaire ruimte); het vult zelfs de met vloeistof gevulde ruimten die niet door levende cellen worden ingenomen, zoals de urine in onze blaas, de waterige oplossingen
in ons spijsverteringsstelsel en het vocht in onze ogen. Natuurlijk bevatten deze vloeistoffen ook veel belangrijke opgeloste stoffen en vaste stoffen. In totaal bestaat echter ongeveer 60% van ons lichaamsgewicht uit water.
Een belangrijke eigenschap van water is dat het een grote hoeveelheid warmte-energie kan absorberen en vasthouden met slechts een bescheiden temperatuurstijging. Het absorbeert zelfs beter warmte dan de meeste andere vloeistoffen. Water kan dus grote verhogingen van de lichaamstemperatuur voorkomen wanneer er te veel warmte wordt geproduceerd. Water houdt de warmte ook goed vast wanneer er gevaar is voor teveel warmteverlies (bijvoorbeeld wanneer u op een koele dag in korte broek naar buiten gaat). Het vermogen van water om warmte te absorberen en vast te houden helpt snelle veranderingen in de lichaamstemperatuur te voorkomen wanneer zich veranderingen voordoen in het metabolisme of in de omgeving.
Ons lichaam genereert warmte tijdens de stofwisseling. Meestal produceren we meer warmte dan we nodig hebben om een constante lichaamstemperatuur van 37°C (98,6°F) te behouden. Eén manier waarop we warmte verliezen is door verdamping van water (zweet) van het oppervlak van ons lichaam. Vergeet niet dat er veel warmte-energie nodig is om alle waterstofbruggen tussen aangrenzende watermoleculen te verbreken. Als zweet verdampt, koelt het het bloed in de bloedcapillairen bij het huidoppervlak af. De verdamping van zweet is slechts één van de vele mechanismen om de lichaamstemperatuur constant te houden.
U kunt de verkoelende werking van verdamping zelf demonstreren. De volgende keer dat je hevig transpireert, merk dan op dat je huid, ook al voel je warm aan, in feite koel aanvoelt.
Water is betrokken bij veel van de chemische reacties in levende organismen. Voorbeelden zijn de synthese en afbraak van koolhydraten, lipiden en eiwitten, die allemaal essentieel zijn voor het leven. Het equivalent van een watermolecuul wordt opgebruikt of opnieuw aangemaakt wanneer deze moleculen worden gesynthetiseerd of later afgebroken, zoals je verderop in dit hoofdstuk zult zien.
1.4 HET BELANG VAN WATERSTOFIONEN
Een van de belangrijkste ionen in het lichaam is het waterstofion H+ (een enkel proton zonder elektron). In dit hoofdstuk zullen we zien hoe waterstofionen ontstaan en waarom het zo belangrijk is om er een juiste concentratie van te handhaven.
Hoewel de covalente bindingen tussen waterstof en zuurstof in water sterk zijn en dus zelden verbroken worden, kan het toch gebeuren.Als dat gebeurt, wordt het elektron van
een waterstofatoom volledig overgedragen aan het zuurstofatoom, en valt het watermolecuul uiteen in twee ionen - een waterstofion (H) en een hydroxide-ion (OH).
In zuiver water worden slechts enkele watermoleculen tegelijk in H en OH gesplitst. Er zijn echter andere bronnen van waterstofionen in waterige oplossingen. Een zuur is een molecuul dat een H+ ion kan afstaan. Bij toevoeging aan zuiver water ontstaat een zure oplossing (acidic), een oplossing met een hogere H+-concentratie dan zuiver water. (Per definitie is een waterige oplossing met dezelfde H+- concentratie als water een neutrale oplossing). Veel
voorkomende zure oplossingen zijn zuivere azijn, koolzuurhoudende dranken, zwarte koffie en sinaasappelsap. Omgekeerd is een base elke molecule die een H+ ion kan accepteren (ermee kan combineren). Indien toegevoegd aan zuiver water, produceren basen een basische of alkalische oplossing, een oplossing met een lagere H+-concentratie dan die van zuiver water. Bekende alkalische oplossingen zijn zuiveringszout in water, detergenten en afvoerreinigers.
Weetje: Omdat zuren en basen een tegengesteld effect hebben op de H-concentratie van oplossingen, wordt gezegd dat ze elkaar neutraliseren. U hebt waarschijnlijk gehoord dat een lepel zuiveringszout in water een aloude manier is om een "zure maag" tegen te gaan. Nu weet je dat dit huismiddeltje gebaseerd is op gezonde chemische principes.
Wetenschappers gebruiken de pH-schaal om de zuurtegraad of alkaliniteit van een oplossing aan te geven. De pH- schaal is een maat voor de waterstofionenconcentratie van een oplossing. De schaal loopt van 0 tot 14, waarbij zuiver water een pH heeft van 7,0, het neutrale punt. Een pH van 7 komt overeen met een waterstofionenconcentratie van 1077 mol/liter (een mol is een term die door scheikundigen wordt gebruikt om een bepaald aantal atomen, ionen of moleculen aan te duiden). Een zure oplossing heeft een pH van minder dan 7, terwijl een basische oplossing een pH heeft van meer dan 7. Elke verandering in pH met een heel getal vertegenwoordigt een tienvoudige verandering in de waterstofionenconcentratie in de tegenovergestelde richting. Bijvoorbeeld, een zure oplossing met een pH van 5 heeft een H-concentratie van 10-5 mol/liter (100 keer groter dan zuiver water), terwijl een basische oplossing met een pH van 9 een H-concentratie heeft van 10 -9 mol/liter (1/100 van die van water).
De pH van bloed is 7,4, net iets alkalischer dan neutraal water. De waterstofionenconcentratie van bloedplasma is laag in verhouding tot de concentratie van geen andere ionen. (De waterstofionenconcentratie van bloedplasma is bijvoorbeeld minder dan een miljoenste van die van natriumionen). Het is belangrijk deze lage concentratie waterstofionen in het lichaam in homeostase te houden, omdat waterstofionen klein, mobiel, positief geladen en zeer reactief zijn. Waterstofionen hebben de neiging andere positieve ionen in moleculen te verdringen, en als ze dat doen, veranderen ze de moleculaire structuren en het vermogen van het molecuul om goed te functioneren.
Veranderingen in de pH van lichaamsvloeistoffen kunnen van invloed zijn op hoe moleculen over het celmembraan worden getransporteerd en hoe snel bepaalde chemische reacties verlopen. Ze kunnen zelfs de vormen van eiwitten aanpassen die structurele elementen van de cel zijn. Met andere woorden, een verandering in de waterstofionenconcentratie kan gevaarlijk zijn omdat het de homeostase bedreigt.
Oefening: Een chemicus heeft een oplossing die een pH heeft van 3. Ze doet er chemische stof bij, en kort daarna heeft de oplossing een pH van 5. Wat was de concentratie waterstofionen voordat ze de oplossing toevoegde? Wat was het daarna, en heeft ze een zuur of een base toegevoegd?
Een buffer is een stof die de veranderingen in pH minimaliseert die anders zouden kunnen optreden wanneer een zuur of een base aan een oplossing wordt toegevoegd. Buffers zijn essentieel voor ons vermogen om de homeostase van de pH in lichaamsvloeistoffen te handhaven.
In biologische oplossingen zoals bloed of urine zijn buffers aanwezig als paren verwante moleculen die tegengestelde effecten hebben. Een van het paar is de zure vorm van de molecule (in staat om een H-ion af te staan), en de andere is de basische vorm (in staat om een H-ion te accepteren). Wanneer een zuur wordt toegevoegd en het aantal H+ ionen toeneemt, neemt de basevorm van het bufferpaar een deel van de H ionen op, waardoor de daling van de pH die anders zou optreden, wordt geminimaliseerd. Omgekeerd, wanneer een base wordt toegevoegd die te veel H-ionen zou kunnen opnemen, laat de zure vorm van het bufferpaar extra H+-ionen vrij en minimaliseert zo de stijging van de PH. Bufferparen zijn als absorberende sponzen die overtollig water kunnen opnemen en vervolgens kunnen worden uitgewrongen.
Een van de belangrijkste bufferparen in lichaamsvloeistoffen zoals bloed is bicarbonaat (HCO3 de basische vorm) en koolzuur (H2CO3 de zure vorm). Wanneer het bloed te zuur wordt, neemt bicarbonaat overtollig H op volgens de volgende reactie:
HCO3- +H+ -> H2CO3
Wanneer het bloed te alkalisch wordt, geeft koolzuur H af volgens de omgekeerde reactie: HCO3- +H+ <- H2CO3
In een biologische oplossing zoals bloed, nemen bicarbonaat en koolzuur voortdurend H op en af. Uiteindelijk wordt een chemisch evenwicht bereikt waarbij de snelheid van de twee chemische reacties gelijk is, zoals weergegeven door de volgende gecombineerde vergelijking:
HCO3- +H+ <-> H2CO3
Wanneer een overmaat aan zuur wordt geproduceerd, verschuift de gecombineerde vergelijking naar rechts, omdat het bicarbonaat zich met HT verbindt. Het omgekeerde geldt voor alkaliteit.
Het lichaam heeft ook vele andere buffers. Hoe meer buffers aanwezig zijn in een lichaamsvloeistof, hoe stabieler de pH.
1.5 DE ORGANISCHE MOLECULEN VAN LEVENDE ORGANISMEN
Organische moleculen zijn moleculen die koolstof en andere elementen bevatten die door covalente bindingen bij elkaar worden gehouden. De naam organisch ontstond in een tijd dat wetenschappers geloofden dat alle organische moleculen alleen door levende organismen werden gemaakt en alle anorganische moleculen afkomstig waren van niet- levende materie. Tegenwoordig weten we dat organische moleculen onder de juiste omstandigheden in het laboratorium kunnen worden gesynthetiseerd en dat ze waarschijnlijk al op aarde bestonden voordat er leven was.
Koolstof (figuur 1.11) is relatief zeldzaam in de natuur: minder dan 0,03% van de aardkorst. Toch hopen levende organismen het actief op. Ongeveer 18% van ons lichaamsgewicht komt van koolstof.
Koolstof is de gemeenschappelijke bouwsteen van alle organische moleculen vanwege de vele manieren waarop het sterke covalente bindingen kan vormen met andere atomen. Koolstof heeft zes elektronen: twee in de eerste schil en vier in de tweede. Omdat koolstof het meest stabiel is wanneer zijn tweede schil gevuld is met acht elektronen, heeft het de natuurlijke neiging om vier covalente bindingen te vormen met andere moleculen. Dit maakt koolstof tot een ideale structurele component, die zich in vele richtingen kan vertakken.
Uitgaande van de scheikundige conventie dat een lijn tussen de chemische symbolen van atomen staat voor een paar gedeelde elektronen in een covalente binding, bekijken we enkele van de vele structurele mogelijkheden van koolstof. Koolstof kan covalente bindingen vormen met waterstof, stikstof, zuurstof of een andere koolstof (figuur 1.12). Het kan dubbele covalente bindingen vormen met zuurstof of een andere koolstof. Het kan zelfs vijf- of zeshoeken vormen, koolstofringen, met of zonder dubbele bindingen tussen de koolstofverbindingen. Naast hun complexiteit is er bijna geen grens aan de grootte van organische moleculen die van koolstof zijn afgeleid. Sommige worden macromoleculen genoemd (van het Griekse makros, dat "lang" betekent) en bestaan uit duizenden of zelfs miljoenen kleinere moleculen.
Diamant wordt alleen gevormd onder omstandigheden van extreme temperatuur en druk. De structuur van diamant lijkt op het stalen geraamte van een groot gebouw; elk atoom is covalent verbonden met vier naburige koolstofatomen. Dit verklaart de hardheid van diamant.
Grafiet ontstaat door verval van oudere koolstofhoudende stoffen. Zijn structuur bestaat uit lagen van zeshoekige ringen van koolstofatomen. Grafiet is vrij zacht (vandaar het gebruik in potloden) omdat deze laagjes koolstofatomen langs elkaar kunnen glijden.
Macromoleculen worden in de cel zelf opgebouwd (gesynthetiseerd). In een proces dat dehydratiesynthese wordt genoemd (ook wel de condensatiereactie) worden kleinere moleculen, subeenheden genaamd, verbonden door covalente bindingen, zoals parels aan een touwtje. De naam van het proces beschrijft nauwkeurig wat er gebeurt: Telkens wanneer een subunit wordt toegevoegd, wordt het equivalent van een watermolecule verwijderd ("dehydratie"; figuur 1.13a). De subeenheden. die nodig zijn om macromoleculen te synthetiseren komen uit het voedsel dat je eet en uit de biochemische reacties in je lichaam die andere grote moleculen afbreken in kleinere.
Voor de synthese van macromoleculen uit kleinere moleculen is energie nodig, en dat is een van de redenen waarom we energie nodig hebben om te overleven en te groeien. Het is geen toeval dat kinderen enorme hoeveelheden voedsel lijken te eten. Groeiende kinderen hebben energie nodig om de macromoleculen te maken die nodig zijn om nieuwe celmembranen, spiervezels en andere lichaamsweefsels te maken. Sommige macromoleculen worden speciaal gemaakt om energie op te slaan in onze cellen. De mogelijkheid om energie intern op te slaan stelt organismen in staat te overleven, zelfs als er geen voedsel in overvloed is. Andere macromoleculen dienen als structurele bestanddelen van cellen of van extracellulaire (buiten de cel gelegen) structuren zoals botten. Weer andere sturen de vele activiteiten van de cel of dienen als signaalmoleculen tussen cellen.
Organische macromoleculen worden afgebroken door een proces dat hydrolyse heet. Bij hydrolyse wordt het equivalent van een watermolecuul toegevoegd telkens wanneer een covalente binding tussen afzonderlijke subeenheden in de keten wordt verbroken. Hydrolyse is in wezen het omgekeerde van de dehydratiesynthese.
Het hoeft dus niet te verbazen dat bij de afbraak van macromoleculen energie vrijkomt (figuur 1.13b). De energie werd opgeslagen als potentiële energie in de covalente bindingen tussen atomen. Het lichaam verkrijgt een groot deel van zijn energie door hydrolyse van energieopslagmoleculen, zoals glycogeen. Hydrolyse wordt ook gebruikt om voedselmoleculen af te breken tijdens de spijsvertering, om materialen te recyclen voor hergebruik, en om zich te ontdoen van stoffen die het lichaam niet langer nodig heeft.
Levende organismen synthetiseren vier klassen organische moleculen: koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren. De vele verschillende moleculen binnen elke klasse zijn opgebouwd uit hetzelfde handjevol chemische elementen. Er is echter in wezen geen grens aan het aantal verschillende moleculen dat kan worden gemaakt. Niemand weet hoeveel verschillende organische moleculen er zijn. Op chemisch niveau is de enorme diversiteit tussen de vele soorten organismen op aarde te danken aan verschillen in hun organische moleculen, met name hun eiwitten en nucleïnezuren.
1.6 KOOLHYDRATEN: GEBRUIKT VOOR ENERGIE EN STRUCTURELE ONDERSTEUNING
Een aanwijzing voor de basisstructuur van koolhydraten is te vinden in hun naam. Koolhydraten hebben een ruggengraat van koolstofatomen met daaraan waterstof en zuurstof in dezelfde verhouding als in water (2-op-1); de koolstof is dus gehydrateerd, of gecombineerd met water.
De meeste levende organismen gebruiken koolhydraten voor energie, en planten gebruiken ten minste één koolhydraat (cellulose) als structuur. Algemene formule: Cn(H20)n
De eenvoudigste soort koolhydraten wordt monosaccharide genoemd (wat "één suiker" betekent). Monosacchariden
hebben relatief eenvoudige structuren bestaande uit koolstof, waterstof en zuurstof in een 1-2-1 verhouding.
De meest voorkomende monosacchariden bevatten vijf of zes koolstofatomen in een vijf- of zeshoekige ring. Ribose, desoxyribose, glucose en fructose zijn vier van de belangrijkste monosachariden bij de mens. Ribose en desoxyribose (figuur 1.14a) zijn beide vijf-koolstof monosachariden die onderdeel zijn van nucleotide moleculen. Het enige verschil tussen beide is dat desoxyribose één zuurstofatoom minder heeft dan ribose. Glucose, een monosacharide met zes koolstofatomen, is een belangrijke energiebron voor cellen. Wanneer er meer energie beschikbaar is dan direct kan worden gebruikt, kunnen glucosemoleculen door dehydratiesynthese met elkaar of met andere moleculen worden verbonden tot grotere koolhydraatmoleculen (figuur 1.14b).
Oligosachariden zijn korte reeksen monosacchariden (oligo betekent "een paar") die aan elkaar zijn gekoppeld door dehydratatiesynthese. Een veel voorkomende oligosacharide is tafelsuiker, of sacharose. Sucrose wordt ook een disacharide genoemd omdat het bestaat uit slechts twee monosachariden (glucose + fructose). Een andere is lactose (glucose + galactose), de meest voorkomende disacharide in menselijke melk en een belangrijke energiebron voor zuigelingen, lactose wordt opgesplitst door lactase (enzym), sommige maken daar minder van aan en dan blijft lactose in ingewanden zitten: lactose-intolerantie. Sommige oligosachariden zijn covalent gebonden aan bepaalde celmembraaneiwitten (glycoproteïnen genoemd). Glycoproteïnen nemen deel aan het verbinden van aangrenzende cellen en aan cel-cel herkenning en communicatie.
Tijdens de dehydratiesynthese worden duizenden monosachariden samengevoegd tot rechte of vertakte ketens om complexe koolhydraten te vormen die polysachariden worden genoemd (poly betekent "veel"; figuur 1.15).
Polysachariden zijn een handige manier voor cellen om extra energie op te slaan door die vast te zetten in de bindingen van het polysacharidemolecuul.
De belangrijkste polysachariden in levende organismen bestaan uit lange ketens van glucose-monosacchariden. Bij dieren is het opslagpolysacharide glycogeen, terwijl het bij planten zetmeel is. Het meel dat wij verkrijgen door het malen van plantaardige granen bevat veel zetmeel, dat wij vervolgens voor onze eigen energiebehoeften gebruiken door het af te breken tot
glucose. Alle glucose die niet op korte termijn voor energie wordt verbruikt, kan worden gebruikt om glycogeen of lipiden aan te maken en in onze cellen worden opgeslagen voor later gebruik.
Cellulose is een iets andere vorm van glucosepolysacharide. Planten gebruiken het eerder voor structurele ondersteuning dan voor energieopslag. De aard van de chemische bindingen in cellulose is zodanig dat de meeste dieren, waaronder de mens, cellulose niet kunnen afbreken tot glucose-eenheden (daarom kunnen wij geen hout verteren). Maar er zit veel energie opgesloten in de chemische bindingen van cellulose, zoals blijkt uit de warmte die een houtvuur opwekt. Cellulose in celwand van planten (wij hebben geen celwand) dus niet te verteren, koe kan dit wel want micro-organismen in magen.
Oefening: Wanneer eenvoudige monosacchariden aan elkaar worden gekoppeld tot grotere oligosachariden door het proces van dehydratiesynthese, welke andere molecule ontstaat er dan?
Onverteerde cellulose in het voedsel dat wij eten draagt bij tot de vezels of ruwvoer in onze voeding. Van een bepaalde hoeveelheid vezels wordt gedacht dat ze gunstig zijn omdat ze de verplaatsing van afvalstoffen door het spijsverteringskanaal bevorderen. De snellere uitscheiding van afvalstoffen vermindert de tijd van blootstelling aan eventuele kankerverwekkende stoffen in het afvalmateriaal.
Oefening: Glycogeen is het opslagkoolhydraat bij dieren. Noem twee veel voorkomende polysachariden die planten maken. Bestaan ze ook uit glucose? Kunnen we ze allebei verteren, en waarom wel of niet?
1.7 LIPIDEN: ONOPLOSBAAR IN WATER
Voor de biologie is het belangrijkste fysieke kenmerk van de klasse organische moleculen die lipiden worden genoemd, dat ze relatief onoplosbaar zijn, wat betekent dat ze niet in water oplossen. De belangrijkste subklassen van lipiden in je lichaam zijn triglyceriden, fosfolipiden en steroïden. Emulgators zitten in eigeel, stof die een emulsie is (oplossing waarin kleine druppels van een andere vloeistof in zitten) (bij maken mayonaise), emulgators zetten zich rond kapotgeklopte vetdruppeltjes en dan geraken deze niet meer bij elkaar. Melk is ook emulsie omdat er lactose in zit en ook vet blijft in melk door aanwezigheid van emulgators (melk is wit door de kleine druppeltjes vet).
Triglyceriden, ook wel neutrale vetten of gewoon vetten genoemd, worden gesynthetiseerd uit een molecuul glycerol en drie vetzuren (figuur 1.16a). Vetzuren zijn ketens van koolwaterstoffen (meestal ongeveer 16 tot 18 koolwaterstoffen lang) die eindigen in een groep atomen die bekend staat als een carboxylgroep (HO-C=O). Vetten variëren in de lengte van hun vetzuurstaarten en de verhouding tussen waterstofatomen en koolstofatomen in de staarten.
Verzadigde vetten hebben een volledig complement van twee waterstofatomen voor elke koolstof in hun staart (figuur 1.166). In verzadigde vetten zijn de staarten vrij recht, waardoor goed dicht gestapeld kunnen worden. Daardoor zijn verzadigde vetten bij kamertemperatuur meestal vast. Dierlijke vetten, zoals boter en spekvet, zijn verzadigde vetten. Een dieet rijk aan verzadigde vetten zou bijdragen tot de ontwikkeling van hart- en vaatziekten.
Onverzadigde vetten, ook wel oliën genoemd, hebben minder dan twee waterstofatomen op een of meer koolstofatomen in de staart (figuur 1.16c). Daardoor ontstaan er dubbele bindingen tussen aangrenzende koolstofatomen, waardoor de staarten knikken en de vetten niet dicht bij elkaar kunnen komen. Bijgevolg zijn onverzadigde vetten (oliën) over het algemeen vloeibaar bij kamertemperatuur.
Triglyceriden worden opgeslagen in vetweefsel en zijn een belangrijke bron van opgeslagen energie in ons lichaam. De meeste energie bevindt zich in de bindingen tussen koolstof en waterstof in de vetzuurstaarten.
Oefening: Cacaoboter is vast bij kamertemperatuur; canolaolie is vloeibaar bij kamertemperatuur. Welke lipide heeft meer dubbele bindingen tussen de koolstofatomen (en minder dan twee waterstofatomen per koolstofatoom) in de vetzuurstaarten? Leg uit.
Fosfolipiden zijn een gewijzigde vorm van lipiden. Ze zijn de belangrijkste structurele component van celmembranen. Net als vetten hebben fosfolipiden een molecuul glycerol als ruggengraat, maar ze hebben slechts twee vetzuurstaarten.
Het derde vetzuur wordt vervangen door een negatief geladen fosfaatgroep (PO4-) en een andere groep die per fosfolipide varieert, maar over het algemeen positief geladen is.
De aanwezigheid van geladen groepen aan één uiteinde geeft de fosfolipide een bijzondere eigenschap: Het ene uiteinde van de molecule is polair en dus oplosbaar (lost op) in water (hydrofiel), terwijl het andere uiteinde (2 vetzuurstaarten) neutraal is en relatief onoplosbaar is in water (hydrofoob). Essentieel want vormt membraan dat nodig is voor de cel en de celorganellen, wanneer de hersenen impulsen doorsturen moeten uitlopers geïsoleerd worden met fosfolipiden en dus zonder deze werken de hersenen niet.
Oefening: Waarom is de kop van elk fosfolipidemolecuul naar het buitenoppervlak van elke zijde van het membraan gericht (naar het water), in plaats van naar het midden van de binnenkant van het membraan? Met andere woorden, wat voorkomt dat een fosfolipidemolecuul zich verkeerd oriënteert?
Steroïden lijken helemaal niet op de eerder beschreven lipiden, maar worden
ingedeeld bij de lipiden omdat ze relatief onoplosbaar zijn in water. Steroïden bestaan uit een ruggengraat van drie 6- ringen en één 5-rings koolstofring, waaraan
verschillende groepen kunnen worden gekoppeld.
Een steroïde waarmee u wellicht bekend bent, is cholesterol (figuur 1.18). Hoge niveaus ervan in het bloed worden in verband gebracht met hart- en vaatziekten. We hebben echter een bepaalde hoeveelheid cholesterol. Het is een essentieel structureel bestanddeel van dierlijke celmembranen en de bron van verschillende belangrijke hormonen, waaronder de geslachtshormonen oestrogeen en testosteron. Ons lichaam maakt cholesterol aan, hoewel we meestal meer binnenkrijgen dan we nodig hebben via onze voeding. Het is een lipide dus heeft een apolaire structuur en lost slecht op. Aangezien er
water aanwezig is in bloed kunnen er plakjes worden gevormd en kan dat leiden tot verstoppingen.
1.8 EIWITTEN: COMPLEXE STRUCTUREN OPGEBOUWD UIT AMINOZUREN
Eiwitten zijn macromoleculen die zijn opgebouwd uit lange strengen van afzonderlijke eenheden, aminozuren genaamd (figuur 1.19). Alle menselijke eiwitten zijn opgebouwd uit slechts 20 verschillende aminozuren. Elk aminozuur heeft een aminogroep (NH3) aan het ene uiteinde, een carboxylgroep aan het andere, een COH-groep in het midden, en een extra groep (aangeduid als R) die al het andere vertegenwoordigt. Sommige R-groepen zijn volledig neutraal, andere zijn neutraal maar polair, en enkele hebben een netto lading (positief of negatief). Verschillen in de lading en structuur van de aminozuren beïnvloeden de vorm en functies van de eiwitten die eruit worden opgebouwd. Ons lichaam kan
indien nodig 11 van de aminozuren synthetiseren (maken). Van de meeste krijgen we echter genoeg binnen via het voedsel dat we eten, inclusief de negen die we niet zelf kunnen aanmaken.
Net als complexe koolhydraten en vetten worden eiwitten gevormd door dehydratiesynthese (figuur 1.20). Een enkele reeks van 3 tot 100 aminozuren wordt een polypeptide genoemd. Een polypeptide wordt meestal een eiwit genoemd wanneer deze langer is dan 100 aminozuren en een complexe structuur en een functie heeft. Sommige eiwitten bestaan uit verschillende polypeptiden die aan elkaar gekoppeld zijn. (lijst niet kennen)
De functie van elk eiwit is sterk afhankelijk van zijn structuur. Wij kunnen de structuur van eiwitten op minstens drie en soms op vier niveaus definiëren (figuur 1.21):
Primaire structuur: weergegeven door de aminozuursequentie. Schriftelijk wordt elk aminozuur aangeduid met een 3- lettercode.
secundaire structuur: beschrijft de manier waarop de ketting van aminozuren is georiënteerd in de ruimte. De meest voorkomende secundaire structuur van eiwitten is de alfa-helix. Een alfa-helix is een rechtse spiraal die gestabiliseerd wordt door waterstofbruggen tussen aminozuren op regelmatige afstanden. Een andere veel voorkomende secundaire structuur, ook gestabiliseerd door waterstofbruggen, is een plat lint, een bètablad. Een bèta sheet wordt gevormd wanneer bindingen twee primaire sequenties van aminozuren waterstofbruggen naast elkaar verbinden. Naast deze
twee structuren kunnen eiwitten zich in een bijna oneindige verscheidenheid van schijnbaar willekeurige vormen rollen, afhankelijk van welke aminozuren de sequentie vormen.
Tertiaire structuur: het derde niveau, verwijst naar hoe het eiwit kronkelt en vouwt om een driedimensionale vorm te vormen. De driedimensionale structuur van het eiwit hangt gedeeltelijk af van de volgorde van de aminozuren, omdat de locaties van de polaire en geladen groepen binnen de keten de locaties bepalen van de waterstofbruggen die de hele reeks bij elkaar houden. Bovendien vormt zich soms een covalente binding, disulfide (S-S) genaamd, tussen de zwavelmoleculen van twee cysteïne-aminozuren (zie figuur 1.19). Ten slotte hebben eiwitten de neiging zich zo te vouwen dat neutrale aminozuren eerder in het inwendige terechtkomen, terwijl geladen en polaire aminozuren eerder naar buiten gericht zijn (waterig milieu). Eiwitten krijgen hun karakteristieke tertiaire structuur door een vouwproces dat plaatsvindt tijdens de synthese of kort daarna.
Quaternaire structuur: verwijst naar het aantal polypeptideketens waaruit het eiwit bestaat (als er meer dan één is) en hoe ze met elkaar verbonden zijn.
Het menselijk lichaam heeft duizenden verschillende eiwitten, die elk een andere functie hebben. Sommige eiwitten dienen vooral ter ondersteuning van de structuur. Andere zijn betrokken bij het samentrekken van spieren. Andere maken deel uit van het celmembraan, waar ze informatie en materiaal in en uit de cellen helpen sturen. Weer andere, enzymen genaa md, regelen de snelheid van biochemische reacties binnen cellen (zie volgende paragraaf).
Omdat de verbindingen die de secundaire en tertiaire structuren van eiwitten bepalen relatief zwakke waterstofbruggen zijn, kunnen ze worden verbroken door
nabijgelegen geladen moleculen. Dit betekent dat de vorm van eiwitten kan veranderen in aanwezigheid van geladen of polaire moleculen. Het vermogen om van vorm te veranderen is essentieel voor de functies van bepaalde eiwitten.
De structuur van eiwitten kan ook worden beschadigd, soms permanent, door hoge temperaturen of veranderingen in pH. Denaturatie verwijst naar een permanente verstoring van de eiwitstructuur, wat leidt tot een verlies van biologische functie. Een voorbeeld van denaturatie is wat er gebeurt met een ei wanneer het wordt blootgesteld aan hoge temperaturen: De oplosbare eiwitten in het ei raken beschadigd en klonteren samen als een vaste massa, waardoor het ei hard wordt.
De meeste eiwitten zijn oplosbaar in water, er zijn echter uitzonderingen. Veel van de eiwitten die deel uitmaken van onze celmembranen zijn ofwel onoplosbaar in water of hebben in water onoplosbare delen. Door hun onoplosbaarheid in water kunnen ze zich verbinden met de in water onoplosbare delen van de fosfolipiden die het grootste deel van de structuur van het celmembraan uitmaken.
Een enzym is een eiwit dat functioneert als een biologische katalysator (figuur 1.22). Een katalysator is een stof die de snelheid van een chemische reactie versnelt zonder door de reactie te worden veranderd of verbruikt. Enzymen helpen biochemische reacties verlopen, maar veranderen het eindresultaat van de reactie niet. Dat wil zeggen, zij kunnen alleen reacties versnellen die toch al zouden hebben plaatsgevonden, zij het veel langzamer. Een chemische reactie die op zichzelf uren zou duren, kan in aanwezigheid van een enzym in minuten of seconden hetzelfde punt bereiken.
Zonder de hulp van duizenden enzymen zouden de meeste biochemische reacties in onze cellen te langzaam verlopen om het leven in stand te houden. Elk enzym vergemakkelijkt, of katalyseert, een bepaalde chemische reactie of groep van reacties. Enzymen dienen als katalysator omdat zij als eiwitten van vorm kunnen veranderen. Sommige enzymen breken moleculen af, andere voegen moleculen samen. In het algemeen neemt een enzym een of meer reactanten (ook wel substraten genoemd) en zet deze om in een of meer producten. Figuur 1.22 laat zien hoe een enzym de vorming van een product uit twee reactanten vergemakkelijkt.
Twee reactanten, elk met een vorm die overeenkomt met een specifieke bindingsplaats op het enzym, benaderen het enzym.
De reactanten binden zich aan het enzym op hun respectieve bindingsplaatsen.
De binding van beide substraten aan het enzym veroorzaakt een verandering in de vorm van het enzym. De reactanten worden samengebracht en er vindt een dehydratiesynthese-reactie plaats.
De binding van de twee substraten samen veroorzaakt weer een verandering in de vorm van het enzym, en het eindproduct komt vrij. Merk op dat het enzym tijdens de reactie niet wordt opgebruikt; zodra het product is vrijgekomen, kan het enzym het proces opnieuw herhalen met nieuwe substraten.
Hoe belangrijk zijn enzymen eigenlijk? Wij kunnen bijvoorbeeld glycogeen en zetmeel verteren omdat wij specifieke enzymen bezitten die de chemische bindingen tussen de glucose-monosacchariden in deze moleculen verbreken. Wij daarentegen kunnen cellulose niet verteren omdat we niet over het juiste enzym beschikken om het te splitsen.
Termieten kunnen cellulose alleen gebruiken omdat hun spijsverteringsstelsel bacteriën herbergt die een enzym hebben dat cellulose verteert.
De veranderlijke vorm van een enzym laat zien waarom homeostase in onze cellen zo belangrijk is. De vorm van eiwitten wordt deels bepaald door de chemische en fysische omgeving in een cel, waaronder temperatuur, pH en de concentraties van bepaalde ionen. Elke afwijking van de homeostase kan de vorm en de biologische activiteit van tientallen verschillende enzymen beïnvloeden en zo het verloop van de biochemische reacties in de cel veranderen.
Oefening: Je hebt een onbekend macromolecuul geïsoleerd en je probeert het te identificeren. Tot nu toe weet je alleen dat het voornamelijk bestaat uit koolstof en waterstof, geen stikstof bevat en onoplosbaar is in water. Is het waarschijnlijk een eiwit, een koolhydraat of een lipide? Leg uit.
1.9 NUCLEÏNEZUREN SLAAN GENETISCHE INFORMATIE OP
Een andere belangrijke klasse van organische moleculen zijn de nucleïnezuren, desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). Je hebt waarschijnlijk gehoord van onderwerpen als doen, genetische manipulatie en DNA- fingerprinting, Deze onderwerpen hebben betrekking op de nucleïnezuren: DNA en RNA.
DNA, het genetisch materiaal in levende wezens, stuurt alles wat de cel doet. Het is zowel het organisatieplan als de reeks instructies om het plan uit te voeren. Omdat het alle levensprocessen stuurt en controleert, inclusief groei, ontwikkeling en voortplanting, is DNA de sleutel tot het leven zelf. RNA, een nauw verwant macromolecuul, is verantwoordelijk voor het uitvoeren van de instructies van het DNA en, in sommige gevallen, voor het regelen van de activiteit van het DNA zelf. In sommige virussen dient RNA (in plaats van DNA) als genetisch materiaal. Genen zijn stukjes DNA die coderen voor 1 eiwit.
Om het belang van DNA en RNA volledig te begrijpen, moet men bedenken dat:
DNA bevat de instructies voor de productie van RNA
RNA bevat de instructies voor de productie van eiwitten.
Eiwitten sturen de meeste levensprocessen.
Zowel DNA als RNA zijn opgebouwd uit kleinere moleculaire subeenheden, nucleotiden genaamd. Nucleotiden bestaan uit:
een vijf-koolstof suiker
een enkel- of dubbelringige structuur met stikstof, een base genaamd
één of meer fosfaatgroepen.
Er bestaan acht verschillende nucleotiden: vier in DNA en vier in RNA.
Figuur 1.23 toont de structuren van de vier nucleotiden waaruit DNA bestaat. Elke nucleotide is samengesteld uit een suikermolecuul met vijf koolstofatomen, deoxyribose genaamd (zoals de ribose met vijf koolstofatomen, maar zonder een zuurstofatoom), een fosfaatgroep en een van de vier verschillende stikstofhoudende basismoleculen adenine (A), thymine (T), cytosine (C) of guanine (G). In een enkele DNA-streng zijn deze nucleotiden met elkaar verbonden door covalente bindingen tussen de fosfaat- en suikergroepen. De vier nucleotiden waaruit DNA bestaat. De fosfaat- en suikergroepen zijn in alle vier de nucleotiden identiek.
De volledige DNA-molecule bestaat eigenlijk uit twee verstrengelde strengen nucleotiden die bij elkaar worden gehouden door zwakke waterstofbruggen (figuur 1.24). De volgorde van de ene streng bepaalt de volgorde van de andere (het zijn complementaire strengen), omdat adenine alleen bindt met thymine (er zijn twee waterstofbruggen nodig) en cytosine bindt alleen met guanine (drie waterstofbruggen zijn vereist).
De code voor het maken van een specifiek eiwit zit in de specifieke volgorde van basenparen in een van de twee strengen van de DNA-molecule. Merk op dat de hele genetische code volledig gebaseerd is op de volgorde van slechts vier verschillende moleculaire eenheden (de vier nucleotiden). Je leert meer over DNA en de genetische code wanneer we de voortplanting van cellen en overerving bespreken. RNA kan uit de kernporiën en in cytoplasma van de cel terechtkomen, dus zo kan de code gebruikt worden om aminozuren van eiwitten te bepalen en specifiek eiwitten op te bouwen (translatie en transcriptie).
Eén enkele DNA-molecule draagt de code voor het maken van een heleboel verschillende eiwitten. Het is als een hele boekenplank van informatie, te groot om in één keer te lezen. Om hun functie uit te voeren, worden delen van de DNA- molecule getranscribeerd in kleinere fragmenten van RNA. RNA lijkt qua structuur op DNA, met een paar uitzonderingen (figuur 1.25):
De suikereenheid in alle vier de nucleotiden in RNA is ribose in plaats van desoxyribose (vandaar de naam ribonucleïnezuur).
Een van de vier stikstofhoudende basismoleculen is verschillend (uracil is vervangen door thymine).
RNA is een enkelstrengig molecuul, dat een complementaire kopie is van een deel van slechts één streng van het DNA.
RNA is korter en vertegenwoordigt alleen het segment van het DNA dat codeert voor één of meer eiwitten.
1.10 ATP VERVOERT ENERGIE
Een andere verwante nucleotide met een belangrijke functie is adenosinetrifosfaat (ATP). ATP is identiek aan de adenine-bevattende nucleotide in RNA, behalve dat ATP twee extra fosfaatgroepen heeft (figuur 1.26a).
ATP bestaat uit:
een adeninebasis
de vijf-koolstof-bevattende suiker ribose, die samen adenosine worden genoemd
drie fosfaatgroepen, die aan elkaar gebonden zijn en daarom trifosfaat worden genoemd.
Omdat de bindingen tussen de fosfaatgroepen veel potentiële energie bevatten, is ATP een universele energiebron voor cellen. ATP is als die energiereep in je rugzak. Telkens wanneer een cel energie nodig heeft voor vrijwel elke functie, kan hij de binding tussen de buitenste twee fosfaatgroepen van een ATP-molecuul verbreken.
Bij de afbraak van ATP ontstaat adenosinedifosfaat (ADP) plus een anorganische fosfaatgroep (Pi), plus energie: ATP -> ADP+ Pi + energie
De energie is beschikbaar om werk te verrichten voor de cel. Alleen de binding tussen de buitenste twee fosfaatgroepen wordt verbroken omdat dit de zwakste binding is.
ATP kan worden aangevuld door een andere energiebron te gebruiken om P₁ weer aan ADP te hechten (figuur 1.26b). De energie om ATP aan te vullen kan komen van opgeslagen energie in het voedsel dat we eten of van de afbraak van energieopslagmoleculen zoals glycogeen of vet. Je leert meer over ATP als energiebron wanneer we het energiegebruik door de spieren bespreken.
Recapitulatie: ATP is een bijna universele bron van snelle energie voor cellen. De energie wordt opgeslagen in de chemische bindingen tussen fosfaatgroepen.
MENSELIJKE BIOLOGIE EN ZIEKTELEER
HOOFSTUK 1: DE CHEMIE VAN LEVENDE DINGEN
1.2 ATOMEN COMBINEREN TOT MOLECULEN
Een derde soort aantrekkingskracht treedt op tussen moleculen die geen nettolading hebben. Kijk nog eens naar de watermolecule in figuur 1.5 en zie dat de twee waterstofatomen niet aan de uiteinden van de watermolecule zitten, maar vrij dicht bij elkaar. Hoewel de zuurstof en de twee waterstofatomen elektronen delen, is het delen ongelijk. De gedeelde elektronen in een watermolecuul brengen iets meer tijd door bij het zuurstofatoom dan bij de waterstofatomen, omdat het zuurstofatoom sterker elektronen aantrekt dan de waterstofatomen. De ongelijke verdeling geeft het zuurstofgebied van een watermolecuul een gedeeltelijk negatieve lading en de twee waterstofgebieden een gedeeltelijk positieve lading, ook al is het watermolecuul als geheel elektrisch neutraal.
Moleculen zoals water, die over het geheel genomen elektrisch neutraal zijn, maar toch gedeeltelijk geladen gebieden of polen hebben, worden polaire moleculen genoemd.
Volgens het principe dat tegenpolen elkaar aantrekken, polaire moleculen schikken zich zo dat de partiële negatieve pool van het ene molecuul gericht is op (aangetrokken wordt door) de partiële positieve pool van een ander molecuul. De zwakke aantrekkingskracht tussen tegengesteld geladen gebieden van polaire moleculen die covalent (gebaseerd op het delen van de elektronen van de buitenste zin, binding gebeurd door elektronen)gebondhttps://knowt.com/study/note/5470bf7b-8497-49f7-9313-56955a15eeef/testen waterstof bevatten, wordt een waterstofbrug genoemd.
Watermolecule: zuurstofatoom (met name de kern) = groter dus meer aantrekkingskracht naar elektronen, daarom polair. Door polariteit: aantrekking tot andere ionen en de vorming van watermanteltjes.
Waterstofbruggen zijn belangrijk in biologische moleculen. Zij geven eiwitten hun driedimensionale vorm en houden de twee strengen van het DNA-molecuul bij elkaar. De structuren van zowel eiwitten als DNA worden verderop in dit hoofdstuk beschreven.
Hoewel er bijna 100 verschillende elementen in de natuur voorkomen, zijn levende organismen uit een beperkt aantal daarvan opgebouwd. In feite bestaat ongeveer 99% van uw lichaamsgewicht uit slechts zes elementen: zuurstof, koolstof, waterstof, stikstof, calcium en fosfor. Deze specifieke elementen zijn vooral belangrijk omdat ze stabiel zijn en omdat ze gemakkelijk ionen vormen, waardoor ze zich met andere elementen kunnen verbinden tot de vele moleculen
van het leven. Maar ook sommige minder gebruikelijke elementen zijn belangrijk. Zonder hen zou het leven op aarde niet mogelijk zijn.
Laten we vervolgens eens kijken naar enkele van de belangrijkste stoffen van levende systemen: water, waterstofionen en een groot aantal moleculen met een ruggengraat van koolstofatomen.
Recapitulatie: Elektronen die het verst van de kern verwijderd zijn, hebben meer potentiële energie dan elektronen dicht bij de kern. Tussen atomen ontstaan sterke covalente bindingen als ze elektronenparen delen, ionische bindingen ontstaan tussen tegengesteld geladen ionen, en zwakke waterstofbruggen ontstaan tussen tegengesteld geladen delen van polaire moleculen.
1.3 HET LEVEN IS AFHANKELIJK VAN WATER
Geen enkel molecuul is zo essentieel voor het leven als water. Het maakt 60%/ 70% (niet 100% want ook zouten) van het lichaamsgewicht uit (leven op aarde ontstaan in de zee en dan na miljarden Jaren zijn er eencellige organismen ontstaan -> meercellige organismen nog altijd cellen in waterig milieu –> geen normaal water maar zeewaterachtig).
De volgende eigenschappen van water zijn bijzonder belangrijk voor levende organismen:
Water is een uitstekend oplosmiddel.
Water is vloeibaar bij lichaamstemperatuur.
Water kan warmte-energie opnemen en vasthouden.
Verdamping van water verbruikt warmte-energie.
Water neemt deel aan essentiële chemische reacties.
Een oplosmiddel is een vloeistof waarin andere stoffen oplossen, en een opgeloste stof (solute) is elke opgeloste stof. Water is het ideale oplosmiddel in levende organismen, juist omdat het bij lichaamstemperatuur een polaire vloeistof is. Als oplosmiddel van het leven is water de stof waarin de vele chemische reacties van levende organismen plaatsvinden. Laten we eens kijken naar een eenvoudig voorbeeld van het oplossen van een opgeloste stof in water om beter te begrijpen hoe de polaire aard van water de reactie vergemakkelijkt:
Beschouw een veel voorkomende en belangrijke vaste stof: kristallen van natriumchloride (NaCl) of keukenzout.
Kristallen van keukenzout bestaan uit een regelmatig, zich herhalend patroon van natrium- en chloride-ionen die door ionische bindingen bij elkaar worden gehouden (figuur 1.8). Wanneer zout in water wordt gelegd, worden de afzonderlijke ionen Na+ en Cl uit het kristal getrokken en onmiddellijk omringd door de polaire watermoleculen. De watermoleculen vormen zo'n hechte cluster rond elk ion dat ze niet meer terug kunnen naar de kristalvorm. Met andere woorden, het water houdt de ionen opgelost.
Merk op dat de watermoleculen rond de ionen zijn georiënteerd volgens het principe dat
tegengestelde ladingen elkaar aantrekken. Polaire moleculen die door water worden aangetrokken en er gemakkelijk mee interageren, worden hydrofiele moleculen genoemd (Grieks voor "waterminnend").
Niet-polaire, neutrale moleculen zoals bakolie reageren niet gemakkelijk met water en lossen er meestal niet in op. Ze worden hydrofoob genoemd (Grieks voor "watervrezend"). Wanneer water en olie worden gemengd, hebben de watermoleculen de neiging waterstofbruggen met elkaar te vormen, waardoor de olie wordt uitgesloten van gebieden die door water worden bezet. Na verloop van tijd wordt de olie in steeds grotere druppels samengedrukt, totdat hij volledig van het water is gescheiden.
Oefening: Een rode kleurstof wordt in een vat gedaan dat een gelijke hoeveelheid bakolie en water bevat. Nadat het mengsel is geschud, zie je dat het water rood is, maar de olie niet. Wat kun je, uitgaande van wat je weet over de eigenschappen van olie en water, zeggen over de kleurstof: Bestaat het uit neutrale, polaire of geladen moleculen? Leg je redenering uit.
Water is vloeibaar bij temperaturen tussen 0 en 100 graden, omdat er binnen dit temperatuurbereik net genoeg warmte-energie in water zit om tijdelijk enkele van de zwakke waterstofbruggen tussen watermoleculen te verbreken. Nieuwe waterstofbruggen zullen zich snel weer vormen met andere watermoleculen in de buurt, maar het patroon van binding tussen aangrenzende watermoleculen is schijnbaar willekeurig (figuur 1.9a).
Wanneer de temperatuur echter onder nul graden Celsius daalt, is er niet langer voldoende warmte-energie om de waterstofbruggen tussen watermoleculen te verbreken. Onder nul graden Celsius oriënteren de watermoleculen zich in een stabiele, onveranderlijke rigide roosterstructuur (ijs; figuur 1.9b), want je stopt thermische beweging en de moleculen zetten zich meer op basis van hun waterstofbruggen. Beweging in lichaam is super belangrijk: bij bevriezen van lichaam valt beweging stil en dus probleem in weefsels en dus schade, ook door ontstaan van ijskristallen (puntig) gevaarlijk want cellen worden doorprikt door deze watermoleculen.
Aan de andere kant van de temperatuurschaal (boven 100 graden Celsius) worden alle waterstofbruggen tussen aangrenzende watermoleculen volledig verbroken en ontsnappen watermoleculen als gas in de atmosfeer (waterdamp; figuur 1.9c).
Omdat water bij lichaamstemperatuur een vloeistof is, is het een uitstekend medium voor het transport van opgeloste stoffen van de ene plaats naar de andere in ons lichaam. Transport is de belangrijkste functie van het bloed (dat voor ongeveer 90% uit water bestaat) in ons hart- en vaatstelsel. Onder druk van het hart transporteert het bloed zuurstof en voedingsstoffen naar alle levende cellen en cellulaire afvalstoffen (waaronder koolstofdioxide) weg van de cellen.
Water is het hoofdbestanddeel van alle met vloeistof gevulde ruimten in ons lichaam. Het vult onze cellen (de intracellulaire ruimte); het beslaat de ruimten tussen de cellen (de intercellulaire ruimte); het vult zelfs de met vloeistof gevulde ruimten die niet door levende cellen worden ingenomen, zoals de urine in onze blaas, de waterige oplossingen
in ons spijsverteringsstelsel en het vocht in onze ogen. Natuurlijk bevatten deze vloeistoffen ook veel belangrijke opgeloste stoffen en vaste stoffen. In totaal bestaat echter ongeveer 60% van ons lichaamsgewicht uit water.
Een belangrijke eigenschap van water is dat het een grote hoeveelheid warmte-energie kan absorberen en vasthouden met slechts een bescheiden temperatuurstijging. Het absorbeert zelfs beter warmte dan de meeste andere vloeistoffen. Water kan dus grote verhogingen van de lichaamstemperatuur voorkomen wanneer er te veel warmte wordt geproduceerd. Water houdt de warmte ook goed vast wanneer er gevaar is voor teveel warmteverlies (bijvoorbeeld wanneer u op een koele dag in korte broek naar buiten gaat). Het vermogen van water om warmte te absorberen en vast te houden helpt snelle veranderingen in de lichaamstemperatuur te voorkomen wanneer zich veranderingen voordoen in het metabolisme of in de omgeving.
Ons lichaam genereert warmte tijdens de stofwisseling. Meestal produceren we meer warmte dan we nodig hebben om een constante lichaamstemperatuur van 37°C (98,6°F) te behouden. Eén manier waarop we warmte verliezen is door verdamping van water (zweet) van het oppervlak van ons lichaam. Vergeet niet dat er veel warmte-energie nodig is om alle waterstofbruggen tussen aangrenzende watermoleculen te verbreken. Als zweet verdampt, koelt het het bloed in de bloedcapillairen bij het huidoppervlak af. De verdamping van zweet is slechts één van de vele mechanismen om de lichaamstemperatuur constant te houden.
U kunt de verkoelende werking van verdamping zelf demonstreren. De volgende keer dat je hevig transpireert, merk dan op dat je huid, ook al voel je warm aan, in feite koel aanvoelt.
Water is betrokken bij veel van de chemische reacties in levende organismen. Voorbeelden zijn de synthese en afbraak van koolhydraten, lipiden en eiwitten, die allemaal essentieel zijn voor het leven. Het equivalent van een watermolecuul wordt opgebruikt of opnieuw aangemaakt wanneer deze moleculen worden gesynthetiseerd of later afgebroken, zoals je verderop in dit hoofdstuk zult zien.
1.4 HET BELANG VAN WATERSTOFIONEN
Een van de belangrijkste ionen in het lichaam is het waterstofion H+ (een enkel proton zonder elektron). In dit hoofdstuk zullen we zien hoe waterstofionen ontstaan en waarom het zo belangrijk is om er een juiste concentratie van te handhaven.
Hoewel de covalente bindingen tussen waterstof en zuurstof in water sterk zijn en dus zelden verbroken worden, kan het toch gebeuren.Als dat gebeurt, wordt het elektron van
een waterstofatoom volledig overgedragen aan het zuurstofatoom, en valt het watermolecuul uiteen in twee ionen - een waterstofion (H) en een hydroxide-ion (OH).
In zuiver water worden slechts enkele watermoleculen tegelijk in H en OH gesplitst. Er zijn echter andere bronnen van waterstofionen in waterige oplossingen. Een zuur is een molecuul dat een H+ ion kan afstaan. Bij toevoeging aan zuiver water ontstaat een zure oplossing (acidic), een oplossing met een hogere H+-concentratie dan zuiver water. (Per definitie is een waterige oplossing met dezelfde H+- concentratie als water een neutrale oplossing). Veel
voorkomende zure oplossingen zijn zuivere azijn, koolzuurhoudende dranken, zwarte koffie en sinaasappelsap. Omgekeerd is een base elke molecule die een H+ ion kan accepteren (ermee kan combineren). Indien toegevoegd aan zuiver water, produceren basen een basische of alkalische oplossing, een oplossing met een lagere H+-concentratie dan die van zuiver water. Bekende alkalische oplossingen zijn zuiveringszout in water, detergenten en afvoerreinigers.
Weetje: Omdat zuren en basen een tegengesteld effect hebben op de H-concentratie van oplossingen, wordt gezegd dat ze elkaar neutraliseren. U hebt waarschijnlijk gehoord dat een lepel zuiveringszout in water een aloude manier is om een "zure maag" tegen te gaan. Nu weet je dat dit huismiddeltje gebaseerd is op gezonde chemische principes.
Wetenschappers gebruiken de pH-schaal om de zuurtegraad of alkaliniteit van een oplossing aan te geven. De pH- schaal is een maat voor de waterstofionenconcentratie van een oplossing. De schaal loopt van 0 tot 14, waarbij zuiver water een pH heeft van 7,0, het neutrale punt. Een pH van 7 komt overeen met een waterstofionenconcentratie van 1077 mol/liter (een mol is een term die door scheikundigen wordt gebruikt om een bepaald aantal atomen, ionen of moleculen aan te duiden). Een zure oplossing heeft een pH van minder dan 7, terwijl een basische oplossing een pH heeft van meer dan 7. Elke verandering in pH met een heel getal vertegenwoordigt een tienvoudige verandering in de waterstofionenconcentratie in de tegenovergestelde richting. Bijvoorbeeld, een zure oplossing met een pH van 5 heeft een H-concentratie van 10-5 mol/liter (100 keer groter dan zuiver water), terwijl een basische oplossing met een pH van 9 een H-concentratie heeft van 10 -9 mol/liter (1/100 van die van water).
De pH van bloed is 7,4, net iets alkalischer dan neutraal water. De waterstofionenconcentratie van bloedplasma is laag in verhouding tot de concentratie van geen andere ionen. (De waterstofionenconcentratie van bloedplasma is bijvoorbeeld minder dan een miljoenste van die van natriumionen). Het is belangrijk deze lage concentratie waterstofionen in het lichaam in homeostase te houden, omdat waterstofionen klein, mobiel, positief geladen en zeer reactief zijn. Waterstofionen hebben de neiging andere positieve ionen in moleculen te verdringen, en als ze dat doen, veranderen ze de moleculaire structuren en het vermogen van het molecuul om goed te functioneren.
Veranderingen in de pH van lichaamsvloeistoffen kunnen van invloed zijn op hoe moleculen over het celmembraan worden getransporteerd en hoe snel bepaalde chemische reacties verlopen. Ze kunnen zelfs de vormen van eiwitten aanpassen die structurele elementen van de cel zijn. Met andere woorden, een verandering in de waterstofionenconcentratie kan gevaarlijk zijn omdat het de homeostase bedreigt.
Oefening: Een chemicus heeft een oplossing die een pH heeft van 3. Ze doet er chemische stof bij, en kort daarna heeft de oplossing een pH van 5. Wat was de concentratie waterstofionen voordat ze de oplossing toevoegde? Wat was het daarna, en heeft ze een zuur of een base toegevoegd?
Een buffer is een stof die de veranderingen in pH minimaliseert die anders zouden kunnen optreden wanneer een zuur of een base aan een oplossing wordt toegevoegd. Buffers zijn essentieel voor ons vermogen om de homeostase van de pH in lichaamsvloeistoffen te handhaven.
In biologische oplossingen zoals bloed of urine zijn buffers aanwezig als paren verwante moleculen die tegengestelde effecten hebben. Een van het paar is de zure vorm van de molecule (in staat om een H-ion af te staan), en de andere is de basische vorm (in staat om een H-ion te accepteren). Wanneer een zuur wordt toegevoegd en het aantal H+ ionen toeneemt, neemt de basevorm van het bufferpaar een deel van de H ionen op, waardoor de daling van de pH die anders zou optreden, wordt geminimaliseerd. Omgekeerd, wanneer een base wordt toegevoegd die te veel H-ionen zou kunnen opnemen, laat de zure vorm van het bufferpaar extra H+-ionen vrij en minimaliseert zo de stijging van de PH. Bufferparen zijn als absorberende sponzen die overtollig water kunnen opnemen en vervolgens kunnen worden uitgewrongen.
Een van de belangrijkste bufferparen in lichaamsvloeistoffen zoals bloed is bicarbonaat (HCO3 de basische vorm) en koolzuur (H2CO3 de zure vorm). Wanneer het bloed te zuur wordt, neemt bicarbonaat overtollig H op volgens de volgende reactie:
HCO3- +H+ -> H2CO3
Wanneer het bloed te alkalisch wordt, geeft koolzuur H af volgens de omgekeerde reactie: HCO3- +H+ <- H2CO3
In een biologische oplossing zoals bloed, nemen bicarbonaat en koolzuur voortdurend H op en af. Uiteindelijk wordt een chemisch evenwicht bereikt waarbij de snelheid van de twee chemische reacties gelijk is, zoals weergegeven door de volgende gecombineerde vergelijking:
HCO3- +H+ <-> H2CO3
Wanneer een overmaat aan zuur wordt geproduceerd, verschuift de gecombineerde vergelijking naar rechts, omdat het bicarbonaat zich met HT verbindt. Het omgekeerde geldt voor alkaliteit.
Het lichaam heeft ook vele andere buffers. Hoe meer buffers aanwezig zijn in een lichaamsvloeistof, hoe stabieler de pH.
1.5 DE ORGANISCHE MOLECULEN VAN LEVENDE ORGANISMEN
Organische moleculen zijn moleculen die koolstof en andere elementen bevatten die door covalente bindingen bij elkaar worden gehouden. De naam organisch ontstond in een tijd dat wetenschappers geloofden dat alle organische moleculen alleen door levende organismen werden gemaakt en alle anorganische moleculen afkomstig waren van niet- levende materie. Tegenwoordig weten we dat organische moleculen onder de juiste omstandigheden in het laboratorium kunnen worden gesynthetiseerd en dat ze waarschijnlijk al op aarde bestonden voordat er leven was.
Koolstof (figuur 1.11) is relatief zeldzaam in de natuur: minder dan 0,03% van de aardkorst. Toch hopen levende organismen het actief op. Ongeveer 18% van ons lichaamsgewicht komt van koolstof.
Koolstof is de gemeenschappelijke bouwsteen van alle organische moleculen vanwege de vele manieren waarop het sterke covalente bindingen kan vormen met andere atomen. Koolstof heeft zes elektronen: twee in de eerste schil en vier in de tweede. Omdat koolstof het meest stabiel is wanneer zijn tweede schil gevuld is met acht elektronen, heeft het de natuurlijke neiging om vier covalente bindingen te vormen met andere moleculen. Dit maakt koolstof tot een ideale structurele component, die zich in vele richtingen kan vertakken.
Uitgaande van de scheikundige conventie dat een lijn tussen de chemische symbolen van atomen staat voor een paar gedeelde elektronen in een covalente binding, bekijken we enkele van de vele structurele mogelijkheden van koolstof. Koolstof kan covalente bindingen vormen met waterstof, stikstof, zuurstof of een andere koolstof (figuur 1.12). Het kan dubbele covalente bindingen vormen met zuurstof of een andere koolstof. Het kan zelfs vijf- of zeshoeken vormen, koolstofringen, met of zonder dubbele bindingen tussen de koolstofverbindingen. Naast hun complexiteit is er bijna geen grens aan de grootte van organische moleculen die van koolstof zijn afgeleid. Sommige worden macromoleculen genoemd (van het Griekse makros, dat "lang" betekent) en bestaan uit duizenden of zelfs miljoenen kleinere moleculen.
Diamant wordt alleen gevormd onder omstandigheden van extreme temperatuur en druk. De structuur van diamant lijkt op het stalen geraamte van een groot gebouw; elk atoom is covalent verbonden met vier naburige koolstofatomen. Dit verklaart de hardheid van diamant.
Grafiet ontstaat door verval van oudere koolstofhoudende stoffen. Zijn structuur bestaat uit lagen van zeshoekige ringen van koolstofatomen. Grafiet is vrij zacht (vandaar het gebruik in potloden) omdat deze laagjes koolstofatomen langs elkaar kunnen glijden.
Macromoleculen worden in de cel zelf opgebouwd (gesynthetiseerd). In een proces dat dehydratiesynthese wordt genoemd (ook wel de condensatiereactie) worden kleinere moleculen, subeenheden genaamd, verbonden door covalente bindingen, zoals parels aan een touwtje. De naam van het proces beschrijft nauwkeurig wat er gebeurt: Telkens wanneer een subunit wordt toegevoegd, wordt het equivalent van een watermolecule verwijderd ("dehydratie"; figuur 1.13a). De subeenheden. die nodig zijn om macromoleculen te synthetiseren komen uit het voedsel dat je eet en uit de biochemische reacties in je lichaam die andere grote moleculen afbreken in kleinere.
Voor de synthese van macromoleculen uit kleinere moleculen is energie nodig, en dat is een van de redenen waarom we energie nodig hebben om te overleven en te groeien. Het is geen toeval dat kinderen enorme hoeveelheden voedsel lijken te eten. Groeiende kinderen hebben energie nodig om de macromoleculen te maken die nodig zijn om nieuwe celmembranen, spiervezels en andere lichaamsweefsels te maken. Sommige macromoleculen worden speciaal gemaakt om energie op te slaan in onze cellen. De mogelijkheid om energie intern op te slaan stelt organismen in staat te overleven, zelfs als er geen voedsel in overvloed is. Andere macromoleculen dienen als structurele bestanddelen van cellen of van extracellulaire (buiten de cel gelegen) structuren zoals botten. Weer andere sturen de vele activiteiten van de cel of dienen als signaalmoleculen tussen cellen.
Organische macromoleculen worden afgebroken door een proces dat hydrolyse heet. Bij hydrolyse wordt het equivalent van een watermolecuul toegevoegd telkens wanneer een covalente binding tussen afzonderlijke subeenheden in de keten wordt verbroken. Hydrolyse is in wezen het omgekeerde van de dehydratiesynthese.
Het hoeft dus niet te verbazen dat bij de afbraak van macromoleculen energie vrijkomt (figuur 1.13b). De energie werd opgeslagen als potentiële energie in de covalente bindingen tussen atomen. Het lichaam verkrijgt een groot deel van zijn energie door hydrolyse van energieopslagmoleculen, zoals glycogeen. Hydrolyse wordt ook gebruikt om voedselmoleculen af te breken tijdens de spijsvertering, om materialen te recyclen voor hergebruik, en om zich te ontdoen van stoffen die het lichaam niet langer nodig heeft.
Levende organismen synthetiseren vier klassen organische moleculen: koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren. De vele verschillende moleculen binnen elke klasse zijn opgebouwd uit hetzelfde handjevol chemische elementen. Er is echter in wezen geen grens aan het aantal verschillende moleculen dat kan worden gemaakt. Niemand weet hoeveel verschillende organische moleculen er zijn. Op chemisch niveau is de enorme diversiteit tussen de vele soorten organismen op aarde te danken aan verschillen in hun organische moleculen, met name hun eiwitten en nucleïnezuren.
1.6 KOOLHYDRATEN: GEBRUIKT VOOR ENERGIE EN STRUCTURELE ONDERSTEUNING
Een aanwijzing voor de basisstructuur van koolhydraten is te vinden in hun naam. Koolhydraten hebben een ruggengraat van koolstofatomen met daaraan waterstof en zuurstof in dezelfde verhouding als in water (2-op-1); de koolstof is dus gehydrateerd, of gecombineerd met water.
De meeste levende organismen gebruiken koolhydraten voor energie, en planten gebruiken ten minste één koolhydraat (cellulose) als structuur. Algemene formule: Cn(H20)n
De eenvoudigste soort koolhydraten wordt monosaccharide genoemd (wat "één suiker" betekent). Monosacchariden
hebben relatief eenvoudige structuren bestaande uit koolstof, waterstof en zuurstof in een 1-2-1 verhouding.
De meest voorkomende monosacchariden bevatten vijf of zes koolstofatomen in een vijf- of zeshoekige ring. Ribose, desoxyribose, glucose en fructose zijn vier van de belangrijkste monosachariden bij de mens. Ribose en desoxyribose (figuur 1.14a) zijn beide vijf-koolstof monosachariden die onderdeel zijn van nucleotide moleculen. Het enige verschil tussen beide is dat desoxyribose één zuurstofatoom minder heeft dan ribose. Glucose, een monosacharide met zes koolstofatomen, is een belangrijke energiebron voor cellen. Wanneer er meer energie beschikbaar is dan direct kan worden gebruikt, kunnen glucosemoleculen door dehydratiesynthese met elkaar of met andere moleculen worden verbonden tot grotere koolhydraatmoleculen (figuur 1.14b).
Oligosachariden zijn korte reeksen monosacchariden (oligo betekent "een paar") die aan elkaar zijn gekoppeld door dehydratatiesynthese. Een veel voorkomende oligosacharide is tafelsuiker, of sacharose. Sucrose wordt ook een disacharide genoemd omdat het bestaat uit slechts twee monosachariden (glucose + fructose). Een andere is lactose (glucose + galactose), de meest voorkomende disacharide in menselijke melk en een belangrijke energiebron voor zuigelingen, lactose wordt opgesplitst door lactase (enzym), sommige maken daar minder van aan en dan blijft lactose in ingewanden zitten: lactose-intolerantie. Sommige oligosachariden zijn covalent gebonden aan bepaalde celmembraaneiwitten (glycoproteïnen genoemd). Glycoproteïnen nemen deel aan het verbinden van aangrenzende cellen en aan cel-cel herkenning en communicatie.
Tijdens de dehydratiesynthese worden duizenden monosachariden samengevoegd tot rechte of vertakte ketens om complexe koolhydraten te vormen die polysachariden worden genoemd (poly betekent "veel"; figuur 1.15).
Polysachariden zijn een handige manier voor cellen om extra energie op te slaan door die vast te zetten in de bindingen van het polysacharidemolecuul.
De belangrijkste polysachariden in levende organismen bestaan uit lange ketens van glucose-monosacchariden. Bij dieren is het opslagpolysacharide glycogeen, terwijl het bij planten zetmeel is. Het meel dat wij verkrijgen door het malen van plantaardige granen bevat veel zetmeel, dat wij vervolgens voor onze eigen energiebehoeften gebruiken door het af te breken tot
glucose. Alle glucose die niet op korte termijn voor energie wordt verbruikt, kan worden gebruikt om glycogeen of lipiden aan te maken en in onze cellen worden opgeslagen voor later gebruik.
Cellulose is een iets andere vorm van glucosepolysacharide. Planten gebruiken het eerder voor structurele ondersteuning dan voor energieopslag. De aard van de chemische bindingen in cellulose is zodanig dat de meeste dieren, waaronder de mens, cellulose niet kunnen afbreken tot glucose-eenheden (daarom kunnen wij geen hout verteren). Maar er zit veel energie opgesloten in de chemische bindingen van cellulose, zoals blijkt uit de warmte die een houtvuur opwekt. Cellulose in celwand van planten (wij hebben geen celwand) dus niet te verteren, koe kan dit wel want micro-organismen in magen.
Oefening: Wanneer eenvoudige monosacchariden aan elkaar worden gekoppeld tot grotere oligosachariden door het proces van dehydratiesynthese, welke andere molecule ontstaat er dan?
Onverteerde cellulose in het voedsel dat wij eten draagt bij tot de vezels of ruwvoer in onze voeding. Van een bepaalde hoeveelheid vezels wordt gedacht dat ze gunstig zijn omdat ze de verplaatsing van afvalstoffen door het spijsverteringskanaal bevorderen. De snellere uitscheiding van afvalstoffen vermindert de tijd van blootstelling aan eventuele kankerverwekkende stoffen in het afvalmateriaal.
Oefening: Glycogeen is het opslagkoolhydraat bij dieren. Noem twee veel voorkomende polysachariden die planten maken. Bestaan ze ook uit glucose? Kunnen we ze allebei verteren, en waarom wel of niet?
1.7 LIPIDEN: ONOPLOSBAAR IN WATER
Voor de biologie is het belangrijkste fysieke kenmerk van de klasse organische moleculen die lipiden worden genoemd, dat ze relatief onoplosbaar zijn, wat betekent dat ze niet in water oplossen. De belangrijkste subklassen van lipiden in je lichaam zijn triglyceriden, fosfolipiden en steroïden. Emulgators zitten in eigeel, stof die een emulsie is (oplossing waarin kleine druppels van een andere vloeistof in zitten) (bij maken mayonaise), emulgators zetten zich rond kapotgeklopte vetdruppeltjes en dan geraken deze niet meer bij elkaar. Melk is ook emulsie omdat er lactose in zit en ook vet blijft in melk door aanwezigheid van emulgators (melk is wit door de kleine druppeltjes vet).
Triglyceriden, ook wel neutrale vetten of gewoon vetten genoemd, worden gesynthetiseerd uit een molecuul glycerol en drie vetzuren (figuur 1.16a). Vetzuren zijn ketens van koolwaterstoffen (meestal ongeveer 16 tot 18 koolwaterstoffen lang) die eindigen in een groep atomen die bekend staat als een carboxylgroep (HO-C=O). Vetten variëren in de lengte van hun vetzuurstaarten en de verhouding tussen waterstofatomen en koolstofatomen in de staarten.
Verzadigde vetten hebben een volledig complement van twee waterstofatomen voor elke koolstof in hun staart (figuur 1.166). In verzadigde vetten zijn de staarten vrij recht, waardoor goed dicht gestapeld kunnen worden. Daardoor zijn verzadigde vetten bij kamertemperatuur meestal vast. Dierlijke vetten, zoals boter en spekvet, zijn verzadigde vetten. Een dieet rijk aan verzadigde vetten zou bijdragen tot de ontwikkeling van hart- en vaatziekten.
Onverzadigde vetten, ook wel oliën genoemd, hebben minder dan twee waterstofatomen op een of meer koolstofatomen in de staart (figuur 1.16c). Daardoor ontstaan er dubbele bindingen tussen aangrenzende koolstofatomen, waardoor de staarten knikken en de vetten niet dicht bij elkaar kunnen komen. Bijgevolg zijn onverzadigde vetten (oliën) over het algemeen vloeibaar bij kamertemperatuur.
Triglyceriden worden opgeslagen in vetweefsel en zijn een belangrijke bron van opgeslagen energie in ons lichaam. De meeste energie bevindt zich in de bindingen tussen koolstof en waterstof in de vetzuurstaarten.
Oefening: Cacaoboter is vast bij kamertemperatuur; canolaolie is vloeibaar bij kamertemperatuur. Welke lipide heeft meer dubbele bindingen tussen de koolstofatomen (en minder dan twee waterstofatomen per koolstofatoom) in de vetzuurstaarten? Leg uit.
Fosfolipiden zijn een gewijzigde vorm van lipiden. Ze zijn de belangrijkste structurele component van celmembranen. Net als vetten hebben fosfolipiden een molecuul glycerol als ruggengraat, maar ze hebben slechts twee vetzuurstaarten.
Het derde vetzuur wordt vervangen door een negatief geladen fosfaatgroep (PO4-) en een andere groep die per fosfolipide varieert, maar over het algemeen positief geladen is.
De aanwezigheid van geladen groepen aan één uiteinde geeft de fosfolipide een bijzondere eigenschap: Het ene uiteinde van de molecule is polair en dus oplosbaar (lost op) in water (hydrofiel), terwijl het andere uiteinde (2 vetzuurstaarten) neutraal is en relatief onoplosbaar is in water (hydrofoob). Essentieel want vormt membraan dat nodig is voor de cel en de celorganellen, wanneer de hersenen impulsen doorsturen moeten uitlopers geïsoleerd worden met fosfolipiden en dus zonder deze werken de hersenen niet.
Oefening: Waarom is de kop van elk fosfolipidemolecuul naar het buitenoppervlak van elke zijde van het membraan gericht (naar het water), in plaats van naar het midden van de binnenkant van het membraan? Met andere woorden, wat voorkomt dat een fosfolipidemolecuul zich verkeerd oriënteert?
Steroïden lijken helemaal niet op de eerder beschreven lipiden, maar worden
ingedeeld bij de lipiden omdat ze relatief onoplosbaar zijn in water. Steroïden bestaan uit een ruggengraat van drie 6- ringen en één 5-rings koolstofring, waaraan
verschillende groepen kunnen worden gekoppeld.
Een steroïde waarmee u wellicht bekend bent, is cholesterol (figuur 1.18). Hoge niveaus ervan in het bloed worden in verband gebracht met hart- en vaatziekten. We hebben echter een bepaalde hoeveelheid cholesterol. Het is een essentieel structureel bestanddeel van dierlijke celmembranen en de bron van verschillende belangrijke hormonen, waaronder de geslachtshormonen oestrogeen en testosteron. Ons lichaam maakt cholesterol aan, hoewel we meestal meer binnenkrijgen dan we nodig hebben via onze voeding. Het is een lipide dus heeft een apolaire structuur en lost slecht op. Aangezien er
water aanwezig is in bloed kunnen er plakjes worden gevormd en kan dat leiden tot verstoppingen.
1.8 EIWITTEN: COMPLEXE STRUCTUREN OPGEBOUWD UIT AMINOZUREN
Eiwitten zijn macromoleculen die zijn opgebouwd uit lange strengen van afzonderlijke eenheden, aminozuren genaamd (figuur 1.19). Alle menselijke eiwitten zijn opgebouwd uit slechts 20 verschillende aminozuren. Elk aminozuur heeft een aminogroep (NH3) aan het ene uiteinde, een carboxylgroep aan het andere, een COH-groep in het midden, en een extra groep (aangeduid als R) die al het andere vertegenwoordigt. Sommige R-groepen zijn volledig neutraal, andere zijn neutraal maar polair, en enkele hebben een netto lading (positief of negatief). Verschillen in de lading en structuur van de aminozuren beïnvloeden de vorm en functies van de eiwitten die eruit worden opgebouwd. Ons lichaam kan
indien nodig 11 van de aminozuren synthetiseren (maken). Van de meeste krijgen we echter genoeg binnen via het voedsel dat we eten, inclusief de negen die we niet zelf kunnen aanmaken.
Net als complexe koolhydraten en vetten worden eiwitten gevormd door dehydratiesynthese (figuur 1.20). Een enkele reeks van 3 tot 100 aminozuren wordt een polypeptide genoemd. Een polypeptide wordt meestal een eiwit genoemd wanneer deze langer is dan 100 aminozuren en een complexe structuur en een functie heeft. Sommige eiwitten bestaan uit verschillende polypeptiden die aan elkaar gekoppeld zijn. (lijst niet kennen)
De functie van elk eiwit is sterk afhankelijk van zijn structuur. Wij kunnen de structuur van eiwitten op minstens drie en soms op vier niveaus definiëren (figuur 1.21):
Primaire structuur: weergegeven door de aminozuursequentie. Schriftelijk wordt elk aminozuur aangeduid met een 3- lettercode.
secundaire structuur: beschrijft de manier waarop de ketting van aminozuren is georiënteerd in de ruimte. De meest voorkomende secundaire structuur van eiwitten is de alfa-helix. Een alfa-helix is een rechtse spiraal die gestabiliseerd wordt door waterstofbruggen tussen aminozuren op regelmatige afstanden. Een andere veel voorkomende secundaire structuur, ook gestabiliseerd door waterstofbruggen, is een plat lint, een bètablad. Een bèta sheet wordt gevormd wanneer bindingen twee primaire sequenties van aminozuren waterstofbruggen naast elkaar verbinden. Naast deze
twee structuren kunnen eiwitten zich in een bijna oneindige verscheidenheid van schijnbaar willekeurige vormen rollen, afhankelijk van welke aminozuren de sequentie vormen.
Tertiaire structuur: het derde niveau, verwijst naar hoe het eiwit kronkelt en vouwt om een driedimensionale vorm te vormen. De driedimensionale structuur van het eiwit hangt gedeeltelijk af van de volgorde van de aminozuren, omdat de locaties van de polaire en geladen groepen binnen de keten de locaties bepalen van de waterstofbruggen die de hele reeks bij elkaar houden. Bovendien vormt zich soms een covalente binding, disulfide (S-S) genaamd, tussen de zwavelmoleculen van twee cysteïne-aminozuren (zie figuur 1.19). Ten slotte hebben eiwitten de neiging zich zo te vouwen dat neutrale aminozuren eerder in het inwendige terechtkomen, terwijl geladen en polaire aminozuren eerder naar buiten gericht zijn (waterig milieu). Eiwitten krijgen hun karakteristieke tertiaire structuur door een vouwproces dat plaatsvindt tijdens de synthese of kort daarna.
Quaternaire structuur: verwijst naar het aantal polypeptideketens waaruit het eiwit bestaat (als er meer dan één is) en hoe ze met elkaar verbonden zijn.
Het menselijk lichaam heeft duizenden verschillende eiwitten, die elk een andere functie hebben. Sommige eiwitten dienen vooral ter ondersteuning van de structuur. Andere zijn betrokken bij het samentrekken van spieren. Andere maken deel uit van het celmembraan, waar ze informatie en materiaal in en uit de cellen helpen sturen. Weer andere, enzymen genaa md, regelen de snelheid van biochemische reacties binnen cellen (zie volgende paragraaf).
Omdat de verbindingen die de secundaire en tertiaire structuren van eiwitten bepalen relatief zwakke waterstofbruggen zijn, kunnen ze worden verbroken door
nabijgelegen geladen moleculen. Dit betekent dat de vorm van eiwitten kan veranderen in aanwezigheid van geladen of polaire moleculen. Het vermogen om van vorm te veranderen is essentieel voor de functies van bepaalde eiwitten.
De structuur van eiwitten kan ook worden beschadigd, soms permanent, door hoge temperaturen of veranderingen in pH. Denaturatie verwijst naar een permanente verstoring van de eiwitstructuur, wat leidt tot een verlies van biologische functie. Een voorbeeld van denaturatie is wat er gebeurt met een ei wanneer het wordt blootgesteld aan hoge temperaturen: De oplosbare eiwitten in het ei raken beschadigd en klonteren samen als een vaste massa, waardoor het ei hard wordt.
De meeste eiwitten zijn oplosbaar in water, er zijn echter uitzonderingen. Veel van de eiwitten die deel uitmaken van onze celmembranen zijn ofwel onoplosbaar in water of hebben in water onoplosbare delen. Door hun onoplosbaarheid in water kunnen ze zich verbinden met de in water onoplosbare delen van de fosfolipiden die het grootste deel van de structuur van het celmembraan uitmaken.
Een enzym is een eiwit dat functioneert als een biologische katalysator (figuur 1.22). Een katalysator is een stof die de snelheid van een chemische reactie versnelt zonder door de reactie te worden veranderd of verbruikt. Enzymen helpen biochemische reacties verlopen, maar veranderen het eindresultaat van de reactie niet. Dat wil zeggen, zij kunnen alleen reacties versnellen die toch al zouden hebben plaatsgevonden, zij het veel langzamer. Een chemische reactie die op zichzelf uren zou duren, kan in aanwezigheid van een enzym in minuten of seconden hetzelfde punt bereiken.
Zonder de hulp van duizenden enzymen zouden de meeste biochemische reacties in onze cellen te langzaam verlopen om het leven in stand te houden. Elk enzym vergemakkelijkt, of katalyseert, een bepaalde chemische reactie of groep van reacties. Enzymen dienen als katalysator omdat zij als eiwitten van vorm kunnen veranderen. Sommige enzymen breken moleculen af, andere voegen moleculen samen. In het algemeen neemt een enzym een of meer reactanten (ook wel substraten genoemd) en zet deze om in een of meer producten. Figuur 1.22 laat zien hoe een enzym de vorming van een product uit twee reactanten vergemakkelijkt.
Twee reactanten, elk met een vorm die overeenkomt met een specifieke bindingsplaats op het enzym, benaderen het enzym.
De reactanten binden zich aan het enzym op hun respectieve bindingsplaatsen.
De binding van beide substraten aan het enzym veroorzaakt een verandering in de vorm van het enzym. De reactanten worden samengebracht en er vindt een dehydratiesynthese-reactie plaats.
De binding van de twee substraten samen veroorzaakt weer een verandering in de vorm van het enzym, en het eindproduct komt vrij. Merk op dat het enzym tijdens de reactie niet wordt opgebruikt; zodra het product is vrijgekomen, kan het enzym het proces opnieuw herhalen met nieuwe substraten.
Hoe belangrijk zijn enzymen eigenlijk? Wij kunnen bijvoorbeeld glycogeen en zetmeel verteren omdat wij specifieke enzymen bezitten die de chemische bindingen tussen de glucose-monosacchariden in deze moleculen verbreken. Wij daarentegen kunnen cellulose niet verteren omdat we niet over het juiste enzym beschikken om het te splitsen.
Termieten kunnen cellulose alleen gebruiken omdat hun spijsverteringsstelsel bacteriën herbergt die een enzym hebben dat cellulose verteert.
De veranderlijke vorm van een enzym laat zien waarom homeostase in onze cellen zo belangrijk is. De vorm van eiwitten wordt deels bepaald door de chemische en fysische omgeving in een cel, waaronder temperatuur, pH en de concentraties van bepaalde ionen. Elke afwijking van de homeostase kan de vorm en de biologische activiteit van tientallen verschillende enzymen beïnvloeden en zo het verloop van de biochemische reacties in de cel veranderen.
Oefening: Je hebt een onbekend macromolecuul geïsoleerd en je probeert het te identificeren. Tot nu toe weet je alleen dat het voornamelijk bestaat uit koolstof en waterstof, geen stikstof bevat en onoplosbaar is in water. Is het waarschijnlijk een eiwit, een koolhydraat of een lipide? Leg uit.
1.9 NUCLEÏNEZUREN SLAAN GENETISCHE INFORMATIE OP
Een andere belangrijke klasse van organische moleculen zijn de nucleïnezuren, desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). Je hebt waarschijnlijk gehoord van onderwerpen als doen, genetische manipulatie en DNA- fingerprinting, Deze onderwerpen hebben betrekking op de nucleïnezuren: DNA en RNA.
DNA, het genetisch materiaal in levende wezens, stuurt alles wat de cel doet. Het is zowel het organisatieplan als de reeks instructies om het plan uit te voeren. Omdat het alle levensprocessen stuurt en controleert, inclusief groei, ontwikkeling en voortplanting, is DNA de sleutel tot het leven zelf. RNA, een nauw verwant macromolecuul, is verantwoordelijk voor het uitvoeren van de instructies van het DNA en, in sommige gevallen, voor het regelen van de activiteit van het DNA zelf. In sommige virussen dient RNA (in plaats van DNA) als genetisch materiaal. Genen zijn stukjes DNA die coderen voor 1 eiwit.
Om het belang van DNA en RNA volledig te begrijpen, moet men bedenken dat:
DNA bevat de instructies voor de productie van RNA
RNA bevat de instructies voor de productie van eiwitten.
Eiwitten sturen de meeste levensprocessen.
Zowel DNA als RNA zijn opgebouwd uit kleinere moleculaire subeenheden, nucleotiden genaamd. Nucleotiden bestaan uit:
een vijf-koolstof suiker
een enkel- of dubbelringige structuur met stikstof, een base genaamd
één of meer fosfaatgroepen.
Er bestaan acht verschillende nucleotiden: vier in DNA en vier in RNA.
Figuur 1.23 toont de structuren van de vier nucleotiden waaruit DNA bestaat. Elke nucleotide is samengesteld uit een suikermolecuul met vijf koolstofatomen, deoxyribose genaamd (zoals de ribose met vijf koolstofatomen, maar zonder een zuurstofatoom), een fosfaatgroep en een van de vier verschillende stikstofhoudende basismoleculen adenine (A), thymine (T), cytosine (C) of guanine (G). In een enkele DNA-streng zijn deze nucleotiden met elkaar verbonden door covalente bindingen tussen de fosfaat- en suikergroepen. De vier nucleotiden waaruit DNA bestaat. De fosfaat- en suikergroepen zijn in alle vier de nucleotiden identiek.
De volledige DNA-molecule bestaat eigenlijk uit twee verstrengelde strengen nucleotiden die bij elkaar worden gehouden door zwakke waterstofbruggen (figuur 1.24). De volgorde van de ene streng bepaalt de volgorde van de andere (het zijn complementaire strengen), omdat adenine alleen bindt met thymine (er zijn twee waterstofbruggen nodig) en cytosine bindt alleen met guanine (drie waterstofbruggen zijn vereist).
De code voor het maken van een specifiek eiwit zit in de specifieke volgorde van basenparen in een van de twee strengen van de DNA-molecule. Merk op dat de hele genetische code volledig gebaseerd is op de volgorde van slechts vier verschillende moleculaire eenheden (de vier nucleotiden). Je leert meer over DNA en de genetische code wanneer we de voortplanting van cellen en overerving bespreken. RNA kan uit de kernporiën en in cytoplasma van de cel terechtkomen, dus zo kan de code gebruikt worden om aminozuren van eiwitten te bepalen en specifiek eiwitten op te bouwen (translatie en transcriptie).
Eén enkele DNA-molecule draagt de code voor het maken van een heleboel verschillende eiwitten. Het is als een hele boekenplank van informatie, te groot om in één keer te lezen. Om hun functie uit te voeren, worden delen van de DNA- molecule getranscribeerd in kleinere fragmenten van RNA. RNA lijkt qua structuur op DNA, met een paar uitzonderingen (figuur 1.25):
De suikereenheid in alle vier de nucleotiden in RNA is ribose in plaats van desoxyribose (vandaar de naam ribonucleïnezuur).
Een van de vier stikstofhoudende basismoleculen is verschillend (uracil is vervangen door thymine).
RNA is een enkelstrengig molecuul, dat een complementaire kopie is van een deel van slechts één streng van het DNA.
RNA is korter en vertegenwoordigt alleen het segment van het DNA dat codeert voor één of meer eiwitten.
1.10 ATP VERVOERT ENERGIE
Een andere verwante nucleotide met een belangrijke functie is adenosinetrifosfaat (ATP). ATP is identiek aan de adenine-bevattende nucleotide in RNA, behalve dat ATP twee extra fosfaatgroepen heeft (figuur 1.26a).
ATP bestaat uit:
een adeninebasis
de vijf-koolstof-bevattende suiker ribose, die samen adenosine worden genoemd
drie fosfaatgroepen, die aan elkaar gebonden zijn en daarom trifosfaat worden genoemd.
Omdat de bindingen tussen de fosfaatgroepen veel potentiële energie bevatten, is ATP een universele energiebron voor cellen. ATP is als die energiereep in je rugzak. Telkens wanneer een cel energie nodig heeft voor vrijwel elke functie, kan hij de binding tussen de buitenste twee fosfaatgroepen van een ATP-molecuul verbreken.
Bij de afbraak van ATP ontstaat adenosinedifosfaat (ADP) plus een anorganische fosfaatgroep (Pi), plus energie: ATP -> ADP+ Pi + energie
De energie is beschikbaar om werk te verrichten voor de cel. Alleen de binding tussen de buitenste twee fosfaatgroepen wordt verbroken omdat dit de zwakste binding is.
ATP kan worden aangevuld door een andere energiebron te gebruiken om P₁ weer aan ADP te hechten (figuur 1.26b). De energie om ATP aan te vullen kan komen van opgeslagen energie in het voedsel dat we eten of van de afbraak van energieopslagmoleculen zoals glycogeen of vet. Je leert meer over ATP als energiebron wanneer we het energiegebruik door de spieren bespreken.
Recapitulatie: ATP is een bijna universele bron van snelle energie voor cellen. De energie wordt opgeslagen in de chemische bindingen tussen fosfaatgroepen.
