Hoofdstuk 1: The Chemistry of Living Things
Belangrijkste concepten:
- De natuurlijke wereld bestaat uit materie en energie
o De kleinste functionele eenheid van materie is een atoom
- Chemische bindingen verbinden atomen met elkaar om moleculen te vormen.
o Deze bindingen vormen zich van nature omdat moleculen stabieler zijn dan de
atomen waaruit ze bestaan. Een van de belangrijkste van nature voorkomende
stabiele molecule is water
- Water is het universele biologische oplosmiddel
o Water omvat het grootste deel van de vloeistoffen in cellen en omringt alle cellen in
meercellige organismen. De meeste chemische reacties van het leven vinden plaats
in water.
- Levende wezens benutten energie en gebruiken deze om complexe moleculen te maken die
anders niet in de natuur te vinden zijn
o De 4 klassen van organische moleculen die door levende organismen worden
gemaakt zijn:
▪ Eiwitten
▪ Koolhydraten
▪ Lipiden
▪ Nucleïne zuren
- Koolstof is de gemeenschappelijke bouwsteen van alle 4 de klassen organische moleculen
vanwege vele manieren waarop het chemische bindingen kan vormen met andere atomen
1.3 Het leven is afhankelijk van water
Voordelen van water die belangrijk zijn voor het levend organisme:
- Uitstekend oplosmiddel
- Polaire vloeistof bij lichaamstemperatuur
- Warmte-energie opnemen en vasthouden
- Verdamping van water verbruikt warmte-energie
- Neemt deel aan essentiële chemische reacties
Water is het biologische oplosmiddel
Oplosmiddel (solvent) = een vloeistof waarin andere stoffen oplossen
Opgeloste stof (solute) = elke opgeloste stof
Hoe water ionen opgelost houdt
Stel NaCl (keukenzout, kristallen van NaCl) wordt samengezeten met water
1. De individuele ionen Na+ en Cl- worden weggetrokken van het kristal
2. Onmiddellijk worden ze omringd door de polaire watermoleculen
3. De watermolecule vormen een strakke cluster rond elk ion dat ze niet opnieuw kunnen
associëren in de kristallijne vorm → water houdt de ionen opgelost
Hydrofiele moleculen = polaire moleculen die zich aangetrokken voelen tot water en er gemakkelijk
mee omgaan
Hydrofobe moleculen = apolaire moleculen hebbe geen gemakkelijke interactie met water en lossen
er over het algemeen niet in op.
1
,Water is een vloeistof bij kamertemperatuur
Dit komt omdat er binnen het temperatuurbereik (0-100) net genoeg warmte-energie in water zit om
tijdelijk een deel van de zwakke waterstofbruggen tussen watermoleculen te verbreken.
→ nieuwe waterstofbruggen zullen zich binnekort opnieuw vormen met met andere nabijgelegen
watermoleculen, willekeurig patroon
Onder 0 graden
→ niet genoeg warmte-energie om de waterstofbruggen tussen watermoleculen te verbreken.
→ watermoleculen orienteren zich in een stabiele onveranderlijke stijve roosterstructuur
Boven 100 graden
→ alle waterstofbruggen worden volledig afgebroken en ontsnappen als gas in de atmosfeer
Water als vloeistof
- Uitstekend medium voor het transporteeren van opgeloste stoffen van de ene naar de andere
plaats in ons lichaam; transport is de primaire functie van bloed (dat bestaat uit 90% water)
- Het vult onze cellen (intracellulaire ruimte)
- Bezet de ruimtes tussen de cellen (extracellulaire ruimte)
- Vult zelfs de met vocht gevulde ruimtes die niet worden ingenomen door levende cellen, bv.:
de urine in onze blaas, de waterige oplossingen in onze spijsvertering en de vloeistof in onze
ogen
- 60% van ons lichaamsgewicht = water
Water helpt de lichaamstemperatuur reguleren
Belangrijke eigenschap van water = kan een grote hoeveelheid warmte-energie absorberen en
vasthouden met slechts een bescheiden temperatuurstijging
→ het absorbeert warmte beter dan de meeste andere vloeistoffen
→ kan grote stijging van lichaamstemperatuur voorkomen wanneer overtollige warmte wordt
geproduceerd
→ water houdt warmte goed vast als er gevaar is voor warmteverlies
Water verliezen
- Belangrijk want we genereren meestal meer warmte dan we nodig hebben
- Gaat via verdamping van water (zweet) van het oppervlakte van ons lichaam
- Wanneer zweet verdampt, koelt het, het bloed in de bloedcappilaren (Zeer dun bloedvat
(haarvat) met een wand, die bestaat uit door een dunne endotheellaag ) bij het huidopp.
Warmte-energie = nodig om alle waterstofbruggen tussen aangrenzende watermoleculen te
verbreken.
Water neemt deel aan chemische reacties
Bijvoorbeeld; Synthese en afbraak koolhydraten, lipiden en eiwitten
1.4 Het belang van waterstofionen
1 v/d belangrijkste ionen in ons lichaam = waterstof ion
2
,Zuren doneren waterstofionen, basen accepteren ze
Hoewel de covalente binding tussen waterstof & zuurstof in water sterk zijn, en dus zelden verbreken
, kan het soms gebeuren.
Wanneer dit gebeurd:
- Elektron van 1 waterstofatoom volledig overgebracht naar het zuurstofatoom, en breekt het
watermolecuul in 2 ionen
o Een waterstofion; H+
o Een hydroxide-ion OH-
- In zuiver water worden slechts eenpaar moleculen wtaer op elk moment gedissocieerd (uit
elkaar gebroken) in H+ en OH-
Zuur
= molecule dat een H+ ion kan doneren (opgeven)
= wanneer in zuiver water geplaats, produceren ze een zure oplossing (acidic solution), met een
hogere H+ concentratie dan zuiver water
= veel voorkomende zuren: koolzuurhoudende dranken, zwarte koffie, sinaasappelsap, ..
Neutrale oplossing = waterige oplossing (= aqueous solution) met dezelfde concentratie H+ ionen als zuiver
water
Base
= elk molecule dat een H+ kan accepteren/combineren met.
= wanneer in zuiver water geplaatst, produceren ze een een basische of alkalische (alkaline)
oplossing, met een lagere H+ concentratie dan zuiver water
= veel voorkomende base: zuiveringszout in water, wasmiddelen en afvoerreiniger
Zuren en basen hebben dus tegengestelde effecten op de H+ concentratie van oplossingen → ze
neutraliseren elkaar
Hierdoor helpt een lepel zuiveringszout in water tegen een zure maag
De pH schaal drukt de concentratie van waterstofionen uit
pH schaal
- Wordt gebruikt om de zuurtegraad/alkaliteit van een oplossing aan te geven
- pH puur water = 7,0; het neutrale punt → H+ concentratie van 10^-7 mol/L
o Mol = bepaald aantal atomen, ionen of moleculen aan te duiden
- pH zuur = minder dan 7
- pH base = meer dan 7
- Elke verandering in het gehele getal van de pH vertegenwoordigd een 10-voudige
verandering in de concentratie waterstofionen in de tegengestelde richting
o Bv.: zure oplossing met een pH van 5 → H+ concentratie van 10^-5 mol/L
▪ 100 keer groter dan zuiver water
o Bv.: alkalische oplossing met pH van 9 → H+ concentratie van 10^-9 mol/L
▪ 1/100 kleiner dan zuiver water
pH van bloed = 7,4
- De waterstofionenconcentratie is relatief laag tov de concentratie van andere ionen
o Belangrijk om de homeostase van deze lage concentratie te behouden omdat
waterstofionen klein, mobiel, positief geladen en reactief zijn
- Waterstofionen hebben de neiging om andere positieve ionen in moleculen te verdringen
3
, o Als dat gebeurt veranderen ze het vermogen van het molecuul om goed te
functioneren
- Veranderingen in de pH van lichaamsvloeistoffen kunnen invloed hebben op de manier
waarop moleculen over het celmembraan worden getransporteerd en hoe snel bepaalde
chemische reacties optreden.
- In extreme gevallen kunnen ze zelfs de vorm veranderen van eiwitten die structurele
elementen van de cel zijn.
Buffers minimaliseren veranderingen in de pH
Buffer
= elke stof die de neiging heeft om de veranderingen in de pH te minimaliseren die anders zouden
kunnen optreden wanneer een zuure/base aan een oplossing wordt toegevoegd
= essentieel voor ons vermogen om de homeostase van de pH in lichaamsvloeistoffen te handhaven
Biologische oplossing
- Bv: bloed of urine
- Buffers aanweizg als paren van verwanten moleculen die tegengestelde effecten hebben
o 1 van het paar= zure vorm van het molecule
o Andere van het paar = base vorm van het molecule
- Als zuur wordt toegevoegd aan de oplossing → aantal h+ ionen stijgt, maar de base in de
buffer accepteert enkele van de h+ ionen waardoor de daling die anders zou kunnen
optreden geminimaliseerd wordt.
o Omgekeerd geldt hetzelfde
- Bufferparen zijn als absorberende sponzen die overtollig water kunnen oppakken en
vervolgens kunnen worden uitgewruid om water vrij te geven wanneer nodig.
1 v/d belangrijste bufferparen in lichaamsvloeistoffen (zoals bloed) = bicarbonaat (HCO3-) en
carbonaat zuur; koolzuur (H2CO3, de zure vorm)
- Wanneer bloed te zuur wordt, accepteert bicarbonaat overtollige H+ ionen
o HCO3- + H+ → H2CO3
- Wanneer bloed te alkalisch wordt, donneert koolzuur H+ door de omgekeerde reactie
o H2CO3 → HCO3- + H+
- Uiteindelijk wordt er een chemisch evenwicht gevormd waarin de snelheden van de twee
reacties hetzelfde zijn
o HCO3- + H+ <> H2CO3
▪ Wanneer overtollig zuur wordt geproduceerd, verschuift de vergelijking naar
rechts. Het omgekeerde geld voor base.
→ hoe meer buffers aanwezig in ons lichaamsvloeistof, hoe stabieler de pH
1.5 De organische moleculen van levende organismen
Organische moleculen = moleculen die koolstof en andere elementne bevatten die bij elkaar worden
gehouden door covalente bindingen.
‘organische’ = vroeger dachten weterschappers dat alle organische moleculen alleen door levende
organismen werde gemaakt en anorganische moleculen afkomstig zijn van niet levende organismen.
→ Fout, organische moleculen kunnen in het lab gesynthetiseerd worden
4
,Koolstof is de gemeenschappelijke bouwsteen van organische moleculen
Koolstof
- Zeldzaam in de natuurlijke wereld
- Goed voor ongeveer 18% van het lichaamsgewicht
- Gemeenschappelijke bouwsteen van organische moleculen vanwege de vele manieren
waarop het sterke covalente bindingen met andere atomen kan vormen
- 6 elektronen; 2 in de eerste schil, 4 in de tweede
o Meest stabiel wanneer tweede schil 8 elektroden heeft → natuurlijke neiging om
bindingen te vormen met andere moleculen
- Ideale structuur component
Enkele van de vele structurele mogelijkheden voor koolstof
- Koolstof kan covalente bindingen vormen met watersotf, stikstof, zuurstof of een andere
koolstof
- Het kan zelfs dubbele bindingen vormen met zuurstof of een andere koolstof
- Ook kan het koolstofringen vormen met 5/6 leden, met/zonder dubbele bindingen
Macromolecules = duizende/miljoenen kleinere moleculen
Macromoleculen worden gesynthetiseeerd en afgebroken in de cel
Uitdrogingsynthese/dehydration synthesis(condensatie reactie) = kleinere moleculen, subeenheden,
worden samengevoegd door covalente bindingen zoals parels aan een touwtje.
- Elke keer dat een subeenheid wordt toegevoegd, wordt het equivalent van een
watermolecuul verwijderd (dehydratie).
Macromoleculen synthetiseren
- De subeenheden die nodig zijn om macromoleculen te synthetiseren → afkomstig van
voedsel dat je eet + van de biochemische reacties in je lichaam die andere grote moleculen in
kleinere afbreken.
- De synthese van macromoleculen uit kleinere moleculen kost energie, en dat is de reden dat
we energie nodig hebben om te overleven en te groeien.
o Kinderen eten als ze jong zijn dus enorm veel, ze hebben energie nodig om
macromoleculen te maken
Functie macromoleculen
1. nieuwe celmembranen, spiervezels en andere lichaamsweefsels te creëren.
2. Energie in onze cellen op te slaan.
a. Dankzij het vermogen om energie intern op te slaan, kunnen organismen overleven,
zelfs als er niet voldoende voedsel is.
3. Structurele componenten van cellen of van extracellulaire (buiten de cel) structuren van bot.
4. Sturen de vele activiteiten van de cel aan of dienen als signaalmoleculen tussen de cellen.
Hydrolyse
= het equivalent van een watermolecuul wordt toegevoegd telkens wanneer een covalente binding
tussen afzonderlijke subeenheden in de keten wordt verbroken.
<> uitdrogingssynthese
5
, - Door de afbraak van macromoleculen komt er energie vrij
o De energie werd opgeslagen als potentiële energie in de covalente bindingen tussen
atomen
o Het lichaam verkrijgt een groot deel van zijn energie door hydrolyse van
energieopslagmoleculen, zoals glycogeen.
Functie Hydrolyse
- Moleculen van voedsel af te breken tijdens de spijsvertering
- Materialen te recycleren voor hergebruik
- Stoffen kwijt te raken die het lichaam niet langer nodig heeft
De 4 klassen van organische moleculen
1. Koolhydraten
2. Lipiden
3. Eiwitten
4. Nucleïnezuren
→ de vele verschillende moleculen binnen elke klasse zijn opgebouwd uit hetzelfde handvol
chemische elementen
→ geen limiet
→ enorme diversiteit tussen de vele soorten organismen op aarde
1.6 Koolhydraten (carbohydrates); gebruikt voor energie en structurele ondersteuning
Basisstructuur
= ruggengraat van koolstofatomen met waterstof en zuurstof in dezelfde verhouding als in water (2-
to1) ; koolstof wordt gehydrateerd/gecombineerd met water
Functie
= de meeste levende organismen gebruiken koolhydraten voor energie, planten gebruiken te minste 1
koolhydraat (cellulose) als structurele ondersteuning.
6
,Monosachariden zijn eenvoudige suikers
Structuur
= koolstof, waterstof en zuurstof (verhouding: 1-2-1)
Meest voorkomende bevatten 5/6 koolstofatomen gerangschikt in een ring met 5/6 leden
Belangrijkste monosachariden bij de mens
- Ribose
o 5-koolstof monosachariden
o Component van nucleotide
o 5 zuurstofatomen
o
- Deoxyribose
o 5-koolstof monosachariden
o Component van nucleotide
o 4 zuurstofatomen
o
- Glucose
o 6-koolstof monosachariden
o Belangrijke energiebron voor de cel
o Wanneer er meer energie beschikbaar is dan meteen kan worden gebruikt kunnen
glucosemoleculen aan elkaar of met andere moleculen worden gekoppeld door
uitdrogingssynthese om grotere koolhydraatmoleculen te vormen
▪
- Fructose
7
,Oligosachariden; meer dan 1 monosachariden aan elkaar verbonden
Oligosachariden = korte reeksen monosachariden die met elkaar zijn verbonden door
uitdrogingssynthese
Voorbeeld: tafelsuiker, sucrose
Sommige oligosachariden zijn covalent gebonden aan bepaalde celmembraaneiwitten
(glycogeenproteïnen).
Glycogeenproteïnen nemen deel aan het verbinden van aangrenzende cellen en aan cel-cel
herkenning en communicatie
Disachariden
- Sucrose; glucose & fructose
- Lactose; glucose & galactose
o Meest voorkomende disachariden in moedermelk
o Belangrijke energiebron voor zuigelingen
Polysachariden slaan energie op
Polysachariden = complexe koolhydraten die tijdens de uitdrogingssynthese worden gemaakt door de
samenvoeging van duizenden monosacchariden tot rechte/vertakte ketens
Functie
- Extra energie opslaan door het te vergrendelen in de bindingen van polysacharidemolecuul
Belangrijktste polysachariden
- In levende organisme
o Lange ketens van glucose monosacchariden
▪ Elke glucose die op kort termij niet voor energie wordt verbruikt → glycogeen
of lipiden aan maken & in cellen opgeslagen voor later gebruik
- Bij dieren
o Glycogeen
- Bij planten
o Zetmeel (starch)
o Het meel dat we verkrijgen door plantaardige granen te malen, bezit rijk aan zetmeel
→ gebruiken voor onze eigen energiebehoefte door het af te breken tot glucose
Cellulose
- Andere vorm van glucosepolysachariden
- Planten gebruiken het voor structurele ondersteuning in plaats van voor energieopslag
- Niet afbreekbaar tot glucose-eenheden
o Daarom kunnen we hout niet verteren
o Onverteerde cellulose in het voedsel dat we eten draagt bij aan de
vezels/ruwgewassen (roughage) in ons dieet
o Een bepaalde hoeveelheid vezels wordt beschouwd als gunstig omdat het de
beweging van afvalstoffen door het spijsverteringskanaal verhoogt.
▪ Snellere uitscheiding van afval vermindert de tijd van blootstelling aan
kankerverwekkende stoffen die zich in het afvalmateriaal kunnen bevinden
- Veel energie opgesloten in de chemische bindingen van cellulose
o Dit blijkt uit de warmte die word gegenereerd door een houtvuur
8
, 1.7 Lipiden; onoplosbaar in water
Belangrijkste subklassen van lipiden in ons lichaam:
- Triglyceriden
- Fosfolipiden
- Steroïden
Triglyceriden zijn energieopslagmoleculen
Triglyceriden
- = neutrale vetten/vetten
- Gesynthetiseerd uit een molecuul van glycerol en 3 vetzuren
o Vetzuren = ketens van koolwaterstoffen (16-18 koolstofatomen lang) & eindigen in
een carboxylgroep (HO-C—0, lange steep = dubbele binding)
o Vetten variëren in de lengte van hun vetzuurstaarten en de verhouding (ratio) van
waterstof atomen tot koolstofatomen in de staarten
- Opgeslagen in vetweefsel
- Belangrijke bron van opgeslagen energie in ons lichaam
- Grootste deel van de energie = bindingen tussen koolstof en waterstof in de vetzuurstaarten
Verzadigde vetten
- Volledige aanvulling van twee waterstofatomen voor elke koolstof in hun staart
- Natuurlijk rechte staarten → dicht bij elkaar inpakken
- Vast bij kamertemperatuur
- Dierlijke vetten (boter, spekvet)
- Dieet dat rijk is aan verzadigde vetten → draagt bij aan de ontwikkeling van hart-en vaatziekte
Onverzadigde vetten
- Ook oliën genoemd
- Minder dan twee waterstofatomen op een/meer koolstofatomen → vorming van dubbele
bindingen tussen aangrenzende koolstofatomen → knikken in de staarten → voorkomen dat
vetten nauw met elkaar in verband komen
- Vloeibaar bij kamertemperatuur
9
, Fosfolipiden zijn de primaire component van celmembranen
Fosfolipiden
- Gemodificeerde vorm van lipiden
- Molecuul glycerol als ruggengraat, twee vetzuurstaarten
o In vergelijking met vetten hebben ze idpv een 3de vetzuurstaart, een negatief geladen
fosfaatgroep (PO4-) + een andere groep die variert afhankelijk van de fosfolipiden
maar over het algemeen positief geladen is
- Aanwezigheid van geladen groepen aan het uiteinde geeft het een speciale eigenschap → het
uiteinde van de molecuul is polair en dus oplosbaar in water, het andere uiteinde
(vertegenwoordigd door 2 vetzuurstaarten) is neutraal en relatief onoplosbaar in water.
- Apolaire staart & polair hoofd
Steroïden zijn samengesteld uit 4 ringen
Steroïden
- Lijken niet op de ‘typische’ lipiden
- Onoplosbaar in water → lipiden
- Ruggengraat van 3, 6-ledige koolstofringen en een 5-koppige koolstofring waaraan een
willekeurig aantal verschillende groepen kan worden bevestigd
- Voorbeeld: cholesterol
o Hoge niveaus van cholesterol in het bloed worden geassocieerd met hart- en
vaatziekten
- We hebben wel een zekere hoeveelheid nodig van cholesterol
o Essentieel structureel onderdeel van dierlijke celmembranen
o Bron van verschillende belangrijke hormonen
▪ Oestrogeen & testosteron
- Ons lichaam produceert zelf ook cholesterol
10
