Menselijke biologie en ziekteleer
2. De chemie van het leven
2.2. Water en het leven
Water is het meest overvloedige molecule in menselijke wezens. Meestal neemt het 60-70 % van het totale lichaamsgewicht in.
De fysische en chemische eigenschappen maken het leven zoals wij het kennen mogelijk
In water cirkelen de elektronen langer rond het zuurstof atoom dan rond de water atomen.
Omdat zuurstof meer kracht heeft om de elektronen naar zich te trekken dan water
De negatief geladen elektronen bevinden zich dichter bij het zuurstofatoom
Zuurstofatoom wordt lichtjes negatief geladen, op hun beurt zijn de waterstofatomen dan lichtjes positief
Hierdoor is water een polair molecule
de zuurstofkant van het molecule heeft een gedeeltelijk negatieve lading (Ᵹ- ) en de waterstofkant heeft een
gedeeltelijk positieve lading
Waterstofbruggen
= de aantrekking van een gedeeltelijk positieve covalente-binding van waterstof tot een gedeeltelijk negatief atoom in de
nabijheid (meestal tussen waterstofatoom en een zuurstof of stikstof atoom).
Een waterstofbrug wordt aangeduid met een stippellijn. (omdat het redelijk zwak is en gemakkelijk gebroken kan worden)
Eigenschappen van water
Door de waterstofbruggen, klampen de watermoleculen zich aan elkaar vast en deze koppeling geeft water unieke chemische
eigenschappen.
Zonder waterstofbruggen zou water bevriezen op -100°C en koken op -91°C (dan zou het meeste water op aarde verdampen en
zou leven onmogelijk zijn) waterstofbruggen zijn verantwoordelijk voor het feit dat water vloeibaar is in temperaturen die
typisch gevonden worden op aarde. (vriest op 0° en kookt op 100°C)
Deze en andere unieke eigenschappen van water zijn essentieel voor het bestaan van leven zoals wij dat kennen
(wanneer wetenschappers andere planeten onderzoeken naar water zoeken ze eerst naar “tekens” van water)
Water heeft een hoge warmte capaciteit. Een calorie (met kleine c!, niet zoals in voeding) is de hoeveelheid energie die nodig is
om de temp van 1g water 1°C op te warmen.
In vergelijking: andere covalent gebonden vloeistoffen hebben maar de helft van deze hoeveelheid E nodig om 1°C op
te warmen.
The vele waterstofbruggen dat de watermoleculen doet samenklampen helpen water om warmte te absorberen zonder
een grote temp-verandering
(bv: wnr we 1g van het koudste vloeibaar water op aarde aan ijs toevoegen zorgt voor een verlies van 80 calorieën van
warmte E)
Water behoud zijn warmte goed, en de temperatuur daalt trager dan bij andere vloeistoffen. Hierdoor zijn we beter in het
bewaren van onze interne lichaamstemp en zijn we beschermd tegen snelle temperatuursveranderingen.
Water heeft een hoge verdampingswarmte.
Wanneer water kookt gaat het verdampen. Om 1g van het warmste water om te zetten naar gas (dus verdampen) is er een input
van 540c nodig.
Water heeft een hoge verdampingswaarde. Dit komt omdat de waterstofbruggen eerst gebroken moeten worden voordat water
kan koken.
De hoge warmte verdampingswaarde van water geeft ons lichaam een efficiënte manier om overmatige lichaamswarmte af te
geven in een warme omgeving.
Wanneer wij zweten of gesplatcht worden met water, wordt onze lichaamswarmte gebruikt om het water te verdampen. En ons
dus te doen afkoelen.
Door de hoge verdampingswarmte en zijn mogelijkheid om zijn warmte bij te houden zijn de temperaturen aan de kust
gematigd. tijdens de zomer absorbeerd en slaagt de zee zonnestralen op. En tijdens de winter laat de zee die dan stilletjes
vrij. (i.t.t. de middelste regio’s van een continent die kunnen geen warmte opslagen dus kennen abrupte
temperatuursveranderingen)
Water is een oplosmiddel.
Door zijn polariteit faciliteert water chemische reacties. (zowel buiten als binnen levende systemen)
Als oplosmiddel lost het een groot aantal stoffen op. (vooral die die dat ook polair zijn) (een oplossing bevat opgeloste stoffen)
1
,Wanneer ionische verbindingen (bv NaCl) in water worden geplaatst, worden de negatieve uiteindes van water aangetrokken
door de Na+ ionen en de positieve uiteindes van water door de Cl - ionen.
Deze aantrekking zorgt ervoor dat de Na en Cl ionen zich van elkaar scheiden in water (dissociatie)
Moleculen die water aantrekken worden hydrofiel (houden van water) genoemd.
Moleculen die geen water aantrekken zijn apolair en hydrofoob. (veel olies zijn hydrofoob)
En vergeet niet SOORT ZOEKT SOORT (water = pol. <-> vet = apol.)
Wanneer ionen en moleculen zich in water verspreiden, bewegen ze en botsen waardoor er reacties kunnen optreden.
Watermoleculen zijn samenhangend en klevend.
Samenhang (of cohesie) verwijst naar de mogelijkheid van watermoleculen om zich aan elkaar te klampen door de
waterstofbruggen.
Op elk moment kan een watermolecule waterstofbruggen vormen met minstens 4 andere watermoleculen.
Vanwege cohesie bestaat water als een vloeistof onder de omstandigheden van temp en druk die aanwezig zijn op het
aardoppervlak.
De sterke samenhang van watermoleculen is schijnbaar omdat water vrij kan vloeien, maar toch scheiden de watermoleculen
zich niet van elkaar.
Adhesie (kleverigheid) verwijst naar de mogelijkheid van watermoleculen om zich vast te klampen aan andere polaire opp. Dit is
een resultaat van de polariteit van water.
Vele dieren (ook mensen) hebben interne vaten waarin water helpt om voedings- en afvalstoffen te transporteren omdat de
cohesie en adhesie van water er voor zorgt dat buisvormige vaten van het cardiovasculair systeem kunnen vullen.
De vloeistof samenstelling van bloed (wat opgeloste en zwevende stoffen transporteert doorheen ons lichaam) bestaat voor
92% uit water.
Het water in ons bloed helpt bij het transport van voedingsstoffen en zuurstof naar onze cellen en in het verwijderen
van afvalstoffen uit de cellen.
VB: hoe blijven longen open en storten ze niet in?
Ons leven hangt af van de cohesieve eigenschap van water. Er ligt een dun laagje water over het opp van de longen en de
innerlijke borstkas wand. Deze film zorgt ervoor dat de longen kunnen kleven tegen te borstkaswand, dat ze open blijven zodat
wij kunnen ademen.
Bevroren water heeft een lagere massadichtheid dan vloeibaar water.
Wnr water afkoelt komen de moleculen dichter bij elkaar. Water is het meest dicht bij een temp van 4°C, maar de
watermolecules bewegen nog wel.
Bij een temp onder de 4° komen er alleen nog maar vibratiebewegingen voor en waterstofbruggen worden stijver maar ook
meer open. dit zorgt ervoor dat water uitbreidt wanneer het de 0° bereikt en bevriest. (dit verklaart waarom een glazenfles
barst in de vriezer,…)
Dit betekent ook dat bevroren water een lagere massadichtheid heeft dan vloeibaar water, dus ijs drijft op water.
Deze eig van water speelt een belangrijke rol in veel water-ecosystemen.
Als ijs dichter was dan water zou ijs op een meer naar de bodem zinken en meren, en zelfs zeeën zouden helemaal
kunnen bevriezen. Dat zou leven in water onmogelijk maken. (maar dit is niet het geval, watermassa’s bevriezen altijd
vanaf de top naar beneden)
Wanneer een watermassa bevriest aan het opp, werkt het ijs als een soort van isolator om het water onder zich te
beschermen om ook te bevriezen. Dit maakt het leven van waterorganismen ook mogelijk in de winter.
Wnr ijs smelt in de winter neemt het warmte op uit de omgeving, dit helpt een plotselinge temperatuursverandering
tegen te gaan.
Zuren en basen
Wanneer water moleculen dissociëren (breken) geven ze een gelijk aantal waterstof ionen (H + ) en hydroxide ionen (OH- ) vrij.
Maar een paar watermoleculen dissociëren tegelijk. En het eigenlijke aantal H + en OH- is 10-7mol/L (een mol is een eenheid voor
wetenschappelijke metingen van atomen, ionen en moleculen)
Zure oplossingen (hoge H+ concentratie)
Vb: citroensap, olie, tomaten, koffie,.. (wat hebben ze gemeenschappelijk?)
Zuren zijn stoffen die dissociëren in water en daarbij H + ionen afgeven.
De zuurtegraad van een stof hangt af van hoe volledig het dissociëert in water.
2
,Bv: HCl H+ + Cl- (wanneer dit wordt toegevoegd aan water, gaat het aantal H + ionen sterk toenemen) (in ons lichaam wordt
HCl geproduceerd door de maag en helpt bij de spijsvertering)
Basische oplossingen
Melk van magnesiumoxide en ammoniak zijn bekende basische oplossingen.
Basen zijn stoffen die H+ ionen opnemen of OH- ionen vrijgeven.
Vb: NaOH Na+ + OH- (wnr natriumhydroxide wordt toegevoegd aan een beker water gaat het aantal hydroxide-ionen
toenemen) (NaOH wordt ook gebruikt in reinigingsmiddel)
Sommige zuren en basen zijn sterk (d.w.z. dat ze een groot aantal H + en OH- ionen afgeven)
Je mag niet proever van sterke zuren of basen want die zijn afbrekend voor cellen (zoals bv bleekmiddel)
De pH-schaal
Wordt gebruikt om de zuurte- of basegraad (neutralisatie vermogen) aan te duiden van een oplossing.
Gaat van 0 – 14, waarbij 7 staat voor een neutrale status waarbij hydroxide en waterstof ionen concentratie evenveel zijn.
pH onder de 7 is een zure oplossing (meer waterstof ionen concentratie dan hydroxide concentratie)
pH boven de 7 is een basische oplossing ([OH -] groter dan [H+]
pH-schaal is een logaritmische schaal elke unit is 10 keer meer zuur dan de vorige
De pH-schaal is ingevoerd om af te zijn van lastige (hele kleine) getallen.
Buffers
Van organismen tot ecosystemen, de pH moet binnen een beperkt bereik worden gehouden om negatieve gevolgen te
voorkomen. Normaal gezien is pH stabiliteit mogelijk omdat het lichaam en de omgeving buffers bezitten om pH veranderingen
te voorkomen.
Op het niveau van de ecosystemen, wanneer er neerslag (in de vorm van regen of sneeuw) wordt gevormd die zo zuur is dat de
omgeving geen natuurlijke buffers meer heeft in de bodem en het water.
(regen heeft normaal een zuurtegraad van rond de 5.7 maar hele zure regen soms met een pH van 2.7 wordt elk jaar vastgesteld
over de Appalachen)
regen wordt zuur door het verbranden van fossiele brandstoffen (hierbij komen SO 2 en NO2 in de atmosfeer terecht)
wanneer dit gecombineerd wordt met water produceren ze H 2SO4 en HNO3.
Zure neerslag vernield standbeelden en dood bossen, het leidt ook tot vissterfte in meren en stromen.
Buffers helpen de pH om binnen de normale grenzen te blijven, omdat het chemicaliën of combinaties van chemicaliën zijn die
overtollige waterstofionen of hydroxide-ionen opnemen.
Bv: H2CO3 <=> (dissociates en reformes) H+ + HCO3-
De pH van ons bloed is altijd rond de 7.4 als we gezond zijn. Bloed bevat altijd een combinatie van enkele carbonzuren
en enkele bicarbonaationen.
Wanneer H+ ionen worden toegevoegd aan ons bloed treedt de volgende reactie op
H+ + HCO3- H2CO3
Wanneer OH- ionen worden toegevoegd aan bloed:
OH- + H2CO3 HCO3- + H2O
Deze reacties voorkomen elke significante verandering in de pH van het bloed
2.3. Moleculen van het leven
4 categorieën van organische moleculen zijn uniek voor cellen (koolhydraten, vetten, eiwitten en nucleïnezuren)
In de biologie verwijst organisch naar moleculen die koolstof (C) en waterstof (H) bevatten en het wordt meestal geassocieerd
met levende organismen.
Elk type organische molecule in cellen is samengesteld uit subeenheden. Wanneer een cel een macromolecule (een molecule
dat veel subeenheden bevat) bouwt, gebruikt het een dehydratie reactie (= een type synthesereactie). Tijdens een dehydratie
reactie worden een hydroxylgroep en een waterstof atoom verwijderd wanneer het molecule zich vormt.
Deze reactie doet denken aan een trein waarvan de lengte wordt bepaalt door het aantal wagonnetjes die aan elkaar
gekoppeld zijn.
Om macromolecules af te breken gebruikt de cel een hydrolyse reactie, waarin de componenten van water worden toegevoegd
tijdens het breken van de band tussen de molecules.
2.4. Koolhydraten
Koolhydraat moleculen worden gekenmerkt door de aanwezigheid van de atoomgroep H-C-OH (waarin de verhouding van
waterstofatomen toe zuurstofatomen ong 2:1 is deze verhouding is dezelfde als de verhouding in water)
3
, In de eerste plaats is de functie van koolhydraten het opslagen van snelle en explosieve energie (voor korte termijn) in alle
organismen (ook mensen).
Eenvoudige koolhydraten (“snelle suikers”)
Wanneer een koolhydraat bestaat uit juist 1 ring en het aantal koolstofatomen is laag (5-7), dan spreken we van eenvoudige
suikers of monosacharide.
De term pentose betekent 5-koolstof suiker.
Glucose, de hexose die ons lichaam gebruikt als een onmiddellijke bron van E, kan op verschillende manieren worden
geschreven (zie boek) (= C6H12O6)
Andere veel voorkomende hexoses zijn fructose (in fruit) en galactose (een bestanddeel van melk)
Een disacharide is gemaakt door twee monosachariden die samenkomen door een dehydratiereactie tussen twee glucose
moleculen.
Wanneer onze spijsverteringssappen maltose afbreken is het resultaat 2 glucosemoleculen.
Sucrose (uit suikerbieten) is bekend als “tafelsuiker”
Complexe koolhydraten (polysachariden)
(brood, rijst, pasta,..)
Macromoleculen zoals zetmeel, glycogeen en cellulose zijn polysachariden, die veel glucose units bevatten.
Zetmeel en glycogeen zijn vormen of glucose die gemakkelijk worden opgeslagen in planten en dieren.
Sommige van de macromolecules in zetmeel zijn lange kettingen die verschillende duizenden glucose units bevatten. Zetmeel en
glycogeen hebben een beetje een andere structuur.
Zetmeel heeft minder zijtakken of kettingen dan glycogeen.
Een zijketen van glucose vertakt zich van de hoofdketen
Meel dat wordt gebruikt om te bakken en dat meestal verkregen wordt door het malen van tarwe bevat veel zetmeel.
Pasta en aardappelen bevatten ook veel zetmeel.
Nadat we zetmeelrijke voedingsmiddelen hebben gegeten (zoals patatjes, brood en cake,..) gaat glucose binnenkomen
in onze bloedsomloop. En normaal gezien slaagt de lever glucose als glycogeen op.
De afgifte van het hormoon insuline door de alvleesklier (pancreas) bevordert de opslag van glucose als glycogeen.
Tussen het eten door geeft de lever glucose vrij (dus normaal gezien is de bloed glucose concentratie rond de 0,1%)
Het polysacharide cellulose, meestal vezels genoemd, vinden we terug in celwanden van planten.
In cellulose worden de glucose eenheden verbonden door een iets ander type koppeling dan in zetmeel of glycogeen. Dit lijkt
gewoon iets technisch maar het is wel degelijk een belangrijk verschil. we zijn namelijk niet in staat om voedsel met dit type
koppeling te verteren. Daarom gaat cellulose grotendeels door ons spijsverteringskanaal als vezels of ruwvoer (bv:
paardeneten).
Vezels geven ons (itt zetmeel) geen E, door de chemische bindingen in de vezelketens. Maar toch zijn vezels (fiber) een
belangrijk onderdeel van ons dieet en ze helpen om ons spijsverteringsstelsel gezond te houden.
Fiber in the diet
Vezels, ook wel ruw voer genoemd, zijn grotendeels opgebouwd uit de onverteerde koolhydraten die door het
spijsverteringsstelsel passeren. De meeste vezels zijn afgeleid van de structurele koolhydraten van planten. Dit bevat materiaal
zoals cellulose, pectines, lignine. Een vezel is niet echt een voedingsstof, omdat we het niet direct gebruiken voor E of het
bouwen van cellen, maar het is een extreem belangrijke component van ons dieet.
Vezels voegen massa toe aan het materiaal in de darm, waardoor de dikke darm normaal blijft functioneren en het bindt vele
soorten schadelijke chemicaliën in de voeding, waaronder cholesterol, en voorkomt dat ze worden opgenomen.
Er bestaan 2 basissoorten vezels: de oplosbare en de niet oplosbare. De oplosbare lost op in water en treedt op bij de binding
van cholesterol. Oplosbare vezels vinden we terug in verschillende fruitsoorten, ook in haver granen. Onoplosbare vezels
vormen het grootste deel van het fecale materiaal en worden aangetroffen in zemelen, noten, zaden en volkorenproducten.
Een volwassen man consumeert rond de 38g vezels per dag, een volwassen vrouw rond de 25g.
Een volkoren boterham bevat 3g vezels
Een dieet met veel vezels vermindert de kans op cardiovasculaire aandoeningen, diabetes, darmkanker en diverticulose
2.5. Lipiden
Lipiden zijn divers in structuur en functie, maar ze hebben een gemeenschappelijk kenmerk: ze lossen niet op in water. Hun lage
oplosbaarheid in water is te wijten aan de afwezigheid van hydrofiele polaire groepen.
Vetten bevatten meer E per gram dan andere biologische moleculen. Daarom functioneren vetten in dieren en olies in planten
goed als E opslag moleculen. Andere vormen een membraan zodat de cel wordt gescheiden van zijn omgeving en ook
binnencompartimenten heeft. Steroïden zijn een grote klasse van lipiden die onder andere de geslachtshormonen bevatten.
4
