Chemie en inleiding tot de biochemische processen
Partim Inleiding tot de biochemische processen
Belang van kennis van biomoleculen voor Bachelor in Science in Revalidatie en
Kinesitherapie
Fout ter hoogte van de biomoleculen vaak oorzaak van ziektes die REVAKI-behandelingen
vereisen
Bv. Mucoviscidose: fout in CFTR-eiwit => slijmophoping in de longen => dagelijkse
respiratoire revalidatie nodig om slijmen naar buiten te brengen
Inleiding
1. Biomoleculen zijn organische (macro)moleculen
BIOMOLECULEN
= moleculen van het leven
Chemische opbouw
Verwant met moleculen die in de organische chemie bestudeerd worden
Hoofdelementen = C,H,O,N,S,P
Voorgesteld met vereenvoudigde skeletvoorstellingen
Biologische macromoleculen = biopolymeren:
- koppeling chemische bouwstenen tot covalente biopolymeren
3-dimensionele vorm
Communicatie door vorming niet-covalente grote complexen
= interacties van chemische aard, maar ook niet-covalente interacties of zwakke krachten
celmembraan bevat veel functionele eiwitten
2. Overzicht van de 3 biopolymeren: eiwitten, nucleïnezuren en polysachariden
BIOPOLYMEREN
= macromoleculen opgebouwd door het covalent op elkaar binden van stabiele eenheden of
monomeren
- homobiopolymeren: opgebouwd uit 1 type monomeren
- heterobiopolymeren: covalente koppeling verschillende monomere eenheden
EIWITTEN
= polypeptideketens, opgebouwd uit (20 mogelijke) aminozuren
MONOSACCHARIDEN
Kennen we als de suikers (fructose, glucose)
- disacchariden: 2 suikermoleculen covalent gebonden: maltose, lactose, sucrose
1
, - polysacchariden : 100en tot 1000en suikermoleculen covalent gebonden: amylose,
glycogeen
NUCLEÏNEZUREN
= DNA en RNA
- DNA: 2 lange ketens: elke keten = covalent gebonden nucleotiden (suiker + base +
fosfaatgroepen)
LIPIDEN
= 4e type biomolecule
= kleinere moleculen: GEEN biopolymeren: via zwakke, niet-covalente krachten gebonden
3. Het belang van niet-covalente aantrekkingskrachten (zwakke krachten) in de structuur, stabiliteit
en functie van biomoleculen
BASISOPBOUW POLYMERE KETENS
Covalente bindingen tussen monomere eenheden essentieel
Functie steunt ook op niet-covalente zwakke elektrostatische aantrekkingskrachten tussen
delen van deze grote moleculen
Biomoleculen gebruiken zwakke krachten ook volop in hun communicatie met andere
biomoleculen, dus in hun functie
Eiwitten vormen complexen met andere moleculen door het vormen van tal van zwakke
aantrekkingskrachten ter hoogte van het contactoppervlak tussen de partnermoleculen
= MOLECULAIRE HERKENNING = CHEMICAL FINGERS
o Laat op heel efficiënte en specifieke wijze interacties toe tussen biologische
moleculen zowel in als buiten het cellulair milieu
o Moleculaire herkenning steunt op de aanwezigheid van chemische groepen met
welbepaalde eigenschappen op het oppervlak van moleculen
Vb. de interactie v/h insulinehormoon dat specifiek reageert met zijn
receptor-eiwit: zie cursus
Vb; SARS-COV-2 met de Spike Protein
4. Functionele groepen en hun eigenschappen: een overzicht
BIOMOLECULEN
= koolstofskelet (alkylketen ‘R’) met daarop functionele groepen
Alkylketen: vertakt of onvertakt
Zie leerpad organische chemie + p. 10-11 cursus
2
,Hoofdstuk 1: Niet-covalente krachten tussen biomoleculen
BIOMCHEMISCHE PROCESSEN
= omkeerbare moleculaire interacties
AANTREKKINGSKRACHTEN
Interacties met niet-covalente aantrekkingskrachten: steeds elektrostatische aantrekkingen:
- Tussen geladen of polaire moleculen:
o Ionaire of elektrostaische aantrekking
o Dipool-dipoolkrachten
o Waterstofbrugvorming
- Tussen apolaire moleculen:
o Londonkrachten
Treden op tussen functionele groepen
BIOLOGISCHE REACTIES
In vloeibaar water: zwakke krachten beïnvloed door de aanwezige watermoleculen
1.1. Ionaire aantrekking (zoutbrug) en dipool-dipoolkracht
ELEKTROSTATISCHE AANTREKKINGSKRACHT
Kracht uitgeoefend op elkaar door een kation en een anion
Sterkte weergegeven door de Wet van Coulomb:
- q1 en q2: ladingen van de 2 groepen betrokken in de interactie
- r: onderlinge afstand tussen ladingen
- D: dielektriciteitsconstante van de omgeving waarin de aantrekkingskracht wordt
uitgeoefend
ZOUTBRUG
= elektrostatische aantrekking tussen ionen (in de biochemie)
Belangrijke rol bij heel wat biologische processen, voorbeelden:
- Eiwitopvouwing: zoutbrug in eiwit tussen negatieve carboxylaatgroep en positieve
aminefunctie
- Werking biokatalysatoren
Energie: ong. 33 kJ/mol
DIPOOL-DIPOOLKRACHT
Tussen polaire moleculen/ functionele groepen met partiële + of - ladingen
Ook elektrostatische aantrekking
Zwakker dan deze tussen ionen
1.2. Waterstofbruggen
H-BRUGVORMING
3
, = niet-covalente elektrostatische aantrekking tussen geschikte functionele groepen met
atomen met elektronegatief karakter en met een vrij elektronenpaar
Kan in een biomolecule tussen O-H en N-H groepen enerzijds en de elektronegatieve atomen
N en O anderzijds op voorwaarde dat deze laatste een vrij elektronenpaar ter beschikking
hebben
Waterstofdonor (δ+) en waterstofacceptor (δ-)
= geen covalente interactie = delen geen elektronenparen
Lineaire waterstofbruggen zijn het sterkst
H-bruggen belangrijk bij de stabilisering van structuurelementen in eiwitten zoals de α-helix
1.3. Londonkrachten
= elektrostatische aantrekking tussen apolaire, hydrofobe moleculen
Tijdelijke dipool in 1 apolaire molecule induceert een dipool in een 2 e molecule => zwakke
aantrekking tussen deze apolaire moleculen = Londonkracht
Zeer zwak en zeer afhankelijk van de onderlinge afstand
1.4. Het effect van H2O op zwakke aantrekkingsainteracties
WATER
Levende organismen bevatten 70-80% water
= polaire molecule: O-atoom trekt gemeenschappelijke elektronenparen van CB naar zich toe
permanente polaire structuur, dipoolmoment
= vormt een dynamisch netwerk: wisselt continu H-bruggen uit => hoog kookpunt
+: is een goed solvent voor ionen en polaire moleculen hydratatie krijgen een
watermantel doordat watermoleculen ermee op niet-covalente wijze (H-bruggen of dipool)
in interactie gaan
-: zwakt ionaire interacties en waterstofbruggen tussen biomoleculen af (D = 80) = werkt
competitief versus niet-covalente interacties tussen geladen functionele groepen in
biomoleculen
1.5. Het hydrofoob effect
HYDROFOBE MOLECULEN
= associëren in waterige oplossing
Apolaire moleculen in waterige oplossing: energetisch ongunstig: H-brug netwerk tussen de
watermoleculen sterk verstoord
Hydrofobe deeltjes zorgen voor fixatie matermoleculen rond die hydrofobe molecule en
voor orde
Entropie S daalt vrije energie ∆G v/h systeem stijgt (energetisch ongunstig)
Effect daalt wanneer meerdere hydrofobe moleculen met elkaar associëren
Totale hydrofobe oppervlakte voor de omliggende watermoleculen verkleint
1.6. Veel zwakke krachten samen maken een sterk geheel: het waarom van zwakke krachten
VRAAG 1: HOE KUNNEN ZWAKKE KRACHTEN VAN BELANG ZIJN ALS ZE ‘ZWAK’ ZIJN?
4
Partim Inleiding tot de biochemische processen
Belang van kennis van biomoleculen voor Bachelor in Science in Revalidatie en
Kinesitherapie
Fout ter hoogte van de biomoleculen vaak oorzaak van ziektes die REVAKI-behandelingen
vereisen
Bv. Mucoviscidose: fout in CFTR-eiwit => slijmophoping in de longen => dagelijkse
respiratoire revalidatie nodig om slijmen naar buiten te brengen
Inleiding
1. Biomoleculen zijn organische (macro)moleculen
BIOMOLECULEN
= moleculen van het leven
Chemische opbouw
Verwant met moleculen die in de organische chemie bestudeerd worden
Hoofdelementen = C,H,O,N,S,P
Voorgesteld met vereenvoudigde skeletvoorstellingen
Biologische macromoleculen = biopolymeren:
- koppeling chemische bouwstenen tot covalente biopolymeren
3-dimensionele vorm
Communicatie door vorming niet-covalente grote complexen
= interacties van chemische aard, maar ook niet-covalente interacties of zwakke krachten
celmembraan bevat veel functionele eiwitten
2. Overzicht van de 3 biopolymeren: eiwitten, nucleïnezuren en polysachariden
BIOPOLYMEREN
= macromoleculen opgebouwd door het covalent op elkaar binden van stabiele eenheden of
monomeren
- homobiopolymeren: opgebouwd uit 1 type monomeren
- heterobiopolymeren: covalente koppeling verschillende monomere eenheden
EIWITTEN
= polypeptideketens, opgebouwd uit (20 mogelijke) aminozuren
MONOSACCHARIDEN
Kennen we als de suikers (fructose, glucose)
- disacchariden: 2 suikermoleculen covalent gebonden: maltose, lactose, sucrose
1
, - polysacchariden : 100en tot 1000en suikermoleculen covalent gebonden: amylose,
glycogeen
NUCLEÏNEZUREN
= DNA en RNA
- DNA: 2 lange ketens: elke keten = covalent gebonden nucleotiden (suiker + base +
fosfaatgroepen)
LIPIDEN
= 4e type biomolecule
= kleinere moleculen: GEEN biopolymeren: via zwakke, niet-covalente krachten gebonden
3. Het belang van niet-covalente aantrekkingskrachten (zwakke krachten) in de structuur, stabiliteit
en functie van biomoleculen
BASISOPBOUW POLYMERE KETENS
Covalente bindingen tussen monomere eenheden essentieel
Functie steunt ook op niet-covalente zwakke elektrostatische aantrekkingskrachten tussen
delen van deze grote moleculen
Biomoleculen gebruiken zwakke krachten ook volop in hun communicatie met andere
biomoleculen, dus in hun functie
Eiwitten vormen complexen met andere moleculen door het vormen van tal van zwakke
aantrekkingskrachten ter hoogte van het contactoppervlak tussen de partnermoleculen
= MOLECULAIRE HERKENNING = CHEMICAL FINGERS
o Laat op heel efficiënte en specifieke wijze interacties toe tussen biologische
moleculen zowel in als buiten het cellulair milieu
o Moleculaire herkenning steunt op de aanwezigheid van chemische groepen met
welbepaalde eigenschappen op het oppervlak van moleculen
Vb. de interactie v/h insulinehormoon dat specifiek reageert met zijn
receptor-eiwit: zie cursus
Vb; SARS-COV-2 met de Spike Protein
4. Functionele groepen en hun eigenschappen: een overzicht
BIOMOLECULEN
= koolstofskelet (alkylketen ‘R’) met daarop functionele groepen
Alkylketen: vertakt of onvertakt
Zie leerpad organische chemie + p. 10-11 cursus
2
,Hoofdstuk 1: Niet-covalente krachten tussen biomoleculen
BIOMCHEMISCHE PROCESSEN
= omkeerbare moleculaire interacties
AANTREKKINGSKRACHTEN
Interacties met niet-covalente aantrekkingskrachten: steeds elektrostatische aantrekkingen:
- Tussen geladen of polaire moleculen:
o Ionaire of elektrostaische aantrekking
o Dipool-dipoolkrachten
o Waterstofbrugvorming
- Tussen apolaire moleculen:
o Londonkrachten
Treden op tussen functionele groepen
BIOLOGISCHE REACTIES
In vloeibaar water: zwakke krachten beïnvloed door de aanwezige watermoleculen
1.1. Ionaire aantrekking (zoutbrug) en dipool-dipoolkracht
ELEKTROSTATISCHE AANTREKKINGSKRACHT
Kracht uitgeoefend op elkaar door een kation en een anion
Sterkte weergegeven door de Wet van Coulomb:
- q1 en q2: ladingen van de 2 groepen betrokken in de interactie
- r: onderlinge afstand tussen ladingen
- D: dielektriciteitsconstante van de omgeving waarin de aantrekkingskracht wordt
uitgeoefend
ZOUTBRUG
= elektrostatische aantrekking tussen ionen (in de biochemie)
Belangrijke rol bij heel wat biologische processen, voorbeelden:
- Eiwitopvouwing: zoutbrug in eiwit tussen negatieve carboxylaatgroep en positieve
aminefunctie
- Werking biokatalysatoren
Energie: ong. 33 kJ/mol
DIPOOL-DIPOOLKRACHT
Tussen polaire moleculen/ functionele groepen met partiële + of - ladingen
Ook elektrostatische aantrekking
Zwakker dan deze tussen ionen
1.2. Waterstofbruggen
H-BRUGVORMING
3
, = niet-covalente elektrostatische aantrekking tussen geschikte functionele groepen met
atomen met elektronegatief karakter en met een vrij elektronenpaar
Kan in een biomolecule tussen O-H en N-H groepen enerzijds en de elektronegatieve atomen
N en O anderzijds op voorwaarde dat deze laatste een vrij elektronenpaar ter beschikking
hebben
Waterstofdonor (δ+) en waterstofacceptor (δ-)
= geen covalente interactie = delen geen elektronenparen
Lineaire waterstofbruggen zijn het sterkst
H-bruggen belangrijk bij de stabilisering van structuurelementen in eiwitten zoals de α-helix
1.3. Londonkrachten
= elektrostatische aantrekking tussen apolaire, hydrofobe moleculen
Tijdelijke dipool in 1 apolaire molecule induceert een dipool in een 2 e molecule => zwakke
aantrekking tussen deze apolaire moleculen = Londonkracht
Zeer zwak en zeer afhankelijk van de onderlinge afstand
1.4. Het effect van H2O op zwakke aantrekkingsainteracties
WATER
Levende organismen bevatten 70-80% water
= polaire molecule: O-atoom trekt gemeenschappelijke elektronenparen van CB naar zich toe
permanente polaire structuur, dipoolmoment
= vormt een dynamisch netwerk: wisselt continu H-bruggen uit => hoog kookpunt
+: is een goed solvent voor ionen en polaire moleculen hydratatie krijgen een
watermantel doordat watermoleculen ermee op niet-covalente wijze (H-bruggen of dipool)
in interactie gaan
-: zwakt ionaire interacties en waterstofbruggen tussen biomoleculen af (D = 80) = werkt
competitief versus niet-covalente interacties tussen geladen functionele groepen in
biomoleculen
1.5. Het hydrofoob effect
HYDROFOBE MOLECULEN
= associëren in waterige oplossing
Apolaire moleculen in waterige oplossing: energetisch ongunstig: H-brug netwerk tussen de
watermoleculen sterk verstoord
Hydrofobe deeltjes zorgen voor fixatie matermoleculen rond die hydrofobe molecule en
voor orde
Entropie S daalt vrije energie ∆G v/h systeem stijgt (energetisch ongunstig)
Effect daalt wanneer meerdere hydrofobe moleculen met elkaar associëren
Totale hydrofobe oppervlakte voor de omliggende watermoleculen verkleint
1.6. Veel zwakke krachten samen maken een sterk geheel: het waarom van zwakke krachten
VRAAG 1: HOE KUNNEN ZWAKKE KRACHTEN VAN BELANG ZIJN ALS ZE ‘ZWAK’ ZIJN?
4
