SAMENVATTING CELBIOLOGIE
HOOFDSTUK 1: OPBOUW VAN DE CEL
HOOFDSTUK 2: CHEMIE VAN DE CEL
1 inleiding
5 belangrijke thema’s:
1. Belang van koolstof C (organische chemie)
>>> unieke eigenschappen C → perfecte biologische molecule.
2. Belang van water (als universeel solvent)
>>> unieke eigenschappen om oplosmiddel/solvent te zijn.
3. Belang van selectief permeabele membranen (compartimentalisatie)
>>> membranen lossen niet op in water.
>>> zijn +/- permeabel.
>>> belangrijk voor afbakening van de cel + zijn compartimenten.
4. Belang van polymerisatie (van kleine tot grote moleculen)
>>> kleine micromoleculen: makkelijk te transporteren door membraan.
>>> grote macromoleculen: niet makkelijk te transporteren.
5. Belang van zelfassemblage (spontaan aannemen van ruimtelijke structuur)
>>> spontaan opvouwen of organiseren tot 3D structuur.
>>> nodige info zit vervat in de lineaire volgorde van de monomeren waaruit de
macromolecule is opgebouwd.
2 het belang van koolstof
C = belangrijkste atoom in biomoleculen.
>>> diversiteit en stabiliteit → te wijden aan unieke eigenschappen van C.
Fundamentele eigenschap C: Valentie van 4
= kan 4 covalente bindingen aangaan om buitenste schil te vullen.
>>> Bekomen van een stabielere toestand.
Covalente bindingen met O, N, S, H… en C.
Aantal covalente bindingen = aantal elektronen dat te kort is in de buitenste schil.
= de valentie van een atoom.
(C = valentie 4; H = valentie 1; O = valentie 2; N = valentie 3)
C,N,H,O = lichtste elementen → vormen sterke covalente bindingen.
(sterkte binding = omgekeerd evenredig met atoomgewicht)
Meervoudige covalente bindingen zijn mogelijk, steeds meer bindingsenergie.
(bindingsenergie = energie nodig om 1 mol bindingen te breken.)
,2.1 koolstofhoudende moleculen zijn stabiel
Stabiliteit afhankelijk van elektronenconfiguratie van elk C-atoom.
uitgedrukt als bindingsenergie (cal/mol)
- 1 cal = de hoeveelheid energie die nodig is om de temperatuur van 1 gram water met 1°C
te doen stijgen.
Covalente binding = grote energie inhoud = stabiel.
- meer energie nodig om covalente binding te breken dan niet-covalente.
- meer energie nodig om meervoudige covalente bindingen te breken dan enkelvoudige.
- breken van covalente binding: enzymatische reacties met grote energie-input nodig.
C-C geschikt als biomolecule: energie-inhoud vergelijkbaar met die van zonnestraling.
- hoe korter de golflengte, hoe hoger de energie-inhoud.
- zichtbaar licht → energie van het zonlicht kleiner dan van de C-C binding.
(C-C bindingen worden niet gebroken)
UV licht → energie van het zonlicht hoger dan van de C-C binding.
(C-C bindingen zullen breken, ozonlaag nodig die UV weg filtert)
2.2 koolstofhoudende moleculen zijn divers
Koolwaterstoffen = molecule met enkel H en C atomen.
- Zijn slecht oplosbaar in water → beperkte rol in biologie.
- Reden: tetravalentie: C wil en kan met 4 andere atomen binden (ook met zichzelf)
➢ keten- en ringvorming zijn mogelijk.
- Covalente bindingen met O, N, S, H… en C maken deel uit van functionele groepen.
➢ bepalen mee wateroplosbaarheid / chemische reactiviteit
➢ Zowel positieve, negatieve als neutrale groepen:
Bv. acetyl co-enzyme A (molecule die tal van functionele groepen bevat).
,2.3 koolstofhoudende moleculen kunnen stereoisomeren vormen
C heeft tetrahedrale configuratie met geometrische structuur.
- max. 4 verschillende groepen op C
Asymmetrisch koolstof = chiraal koolstof = C met 4 verschillende groepen gebonden.
Stereo-isomeren = spiegelbeelden van dezelfde verbindingen, met identieke
structuurformule, niet overlapbaar (2 configuraties).
- indien er n asymmetrische C-atomen zijn → er bestaan 2^n verschillende stereo-
isomeren.
Bv. alanine: 1 C asymmetrisch → 2 isomeren mogelijk
Glucose: meerdere C asymmetrisch (4 van de 6)
3 het belang van water
Zuurstofatoom covalent gebonden aan twee waterstofatomen.
Polair >>> gevolg van specifieke hoek van de waterstofatomen t.o.v. elkaar.
Partiele lading: O → partieel negatief, H’s → partieel positief
Polariteit: watermoleculen sterk tot elkaar aangetrokken (+ en – lading)
- (°) waterstofbruggen of waterstofbindingen = “ladingsinteracties”
➢ = elke verbinding tussen O en H.
➢ Niet-covalent en 10x zwakker dan covalente bindingen.
➢ Continu verval en opbouw >>> dynamisch 3D netwerk.
➢ Waterstofbruggen geeft water “leven-compatibele” eigenschappen
• Hoog cohesief karakter
• Vloeibaar in groot temperatuursbereik
• Hoge warmtecapaciteit
• Warmteverlies bij verdamping
• Uitstekend solvent
3.1 watermoleculen vertonen cohesie
Capaciteit om waterstofbruggen te maken
- Geeft water een hoog cohesief karakter
➢ grote oppervlaktespanning
- Bv. vliegje dat kan lopen op water
3.2 water heeft een grote temperatuur-stabilisatie-capaciteit
3.3 water is een uitstekend solvent
goed oplosmiddel door polair karakter.
- Oplossing = solvent (oplosmiddel) + opgeloste stof
, Anorganische verbindingen:
- Anorganische ionen dissociëren of ioniseren in water
- Ionaire bindingen worden verbroken
- Resulterende ionen vormen waterstofbindingen met de waterstofmoleculen
➢ (°) mengsel van kationen (+) en anionen (-) omgeven door een hydratatiemantel
= (hydratatiemantel = watermantel)
Organische verbindingen:
- Sommige functionele groepen dissociëren volledig in water
>>> polaire moleculen lossen beter op in water = hydrofiel
Hydrofiel = waterminnend, (= polaire moleculen die goed oplossen in water)
Hydrofoob = waterafstotend (= apolaire moleculen die slecht oplossen in water)
Amfipatische moleculen = moleculen die een polair en een apolair deel hebben.
3.4 waterstofconcentratie en de pH van lichaamsvochten
concentratie H+ ionen in lichaamsvocht is zeer belangrijk
mogelijke gevolgen van H+ in hoge concentraties:
- Bindingen breken
- Vormen van complexe moleculen wijzigen
- Celfuncties beschadigen
Bronnen van H+:
- Dissociatie van water of dissociatie van opgeloste stoffen.
- Reactievergelijking:
, pH = notatie voor concentratie aan H+ ionen.
= negatieve exponent van de waterstof-ionenconcentratie (mol/L)
= -log[H+]
zuiver water: slechts weinig watermoleculen dissociëren → aantal waterstofionen en
hydroxylionen is laag.
- concentratie in de oplossing = [H+] = 10^-7 mol/L = pH 7
4 belang van selectief-permeabele membranen
compartimentalisatie = voorwaarde voor metabolisme; cel/organel heeft fysische barrière
nodig.
Fysische barrière = membraan.
Fysische scheiding:
- Mag niet absoluut zijn
➢ permeabiliteitsbarrièr (permeabel voor stoffen en water)
- Mag niet oplosbaar zijn in water
- Moet bestaan uit amfipatische moleculen
>>> spontane vesikelvorming in polair milieu (hydrofobe interacties)
Fosfolipiden: polaire kop (hydrofiel) en 2 apolaire koolwaterstof staarten (hydrofoob).
4.1 een membraan is een lipiden-dubbellaag waarin eiwitten zijn ingebed
membraandubbellaag (8-10nm):
- hydrofiele buitenkanten
➢ interacties met water
- hydrofobe tussenlaag (apolaire koolwaterstofstaarten)
proteïnen in dubbellaag:
- gedragen zich amfipatisch : hydrofobe delen in binnenste membraan, hydrofiele delen
steken uit in waterige omgeving.
- Bewegen vrij in lipiden laag
➢ vloeibaar mozaïek achtig model.
- Functie van membraan bepaald door aanwezigheid van proteïnen (transport, perceptie,
structuur, cel-cel communicatie…)
4.2 membranen zijn selectief doorlaatbaar
transmembraanproteïne = transportproteïnen waarmee een membraan is uitgerust.
- Dienen als hydrofiele kanalen door de dubbellaag.
- Maken het membraan permeabel (selectief doorlaten van stoffen).
,5 Belang van synthese door polymerisatie
5.1 macromoleculen zijn verantwoordelijk voor het grootste deel vorm en functie levende
systemen
macromoleculen (= polymeren)
- Verzorgen de meeste structuren en functies van de cel.
- Kunnen niet door membraan worden getransporteerd. (de meeste)
- Hebben een cellulaire synthese nodig.
- Ontstaan door repetitieve aaneenschakeling van ‘kleine’ transporteerbare
wateroplosbare organische moleculen (monomeren).
= polymerisatie
- Hebben fundamenteel principe in cellulaire biochemie.
5.2 cellen bevatten 3 soorten macromoleculen
1. polysacchariden
polymeren van eenvoudige suikers / monosacchariden
functies: opslag van energie, structuur…
2. eiwitten / proteïnen
= polymeren van aminozuren (20)
functies: katalysator, intercellulaire boodschapper…
3. nucleïnezuren
= polymeren van nucleotiden (4)
Komen voor als DNA en RNA, beide informatiedragers van genetische code voor
eiwitsynthese.
5.3 macromoleculen worden gesynthetiseerd door stapsgewijze polymerisatie van monomeren
basisprincipes van biologische polymerisatie:
- stapsgewijze synthese met identieke of gelijkaardige monomeren
- activatie van monomeren is vereist (gebeurt door ATP of verwante hoog energetische
verbinding + gaat gepaard met koppeling aan dragermolecule)
- bij koppeling van monomeer aan polymeerketen wordt water afgesplitst
= condensatiereactie
(monomeren moeten in geactiveerde toestand voorkomen)
- synthetiseren: biopolymeren hebben een eigen syntheserichting (t.g.v. chemische
structuur)
➢ beide uiteinden van de ketens zijn verschillend.
, Eliminatie van watermolecule = essentieel:
- Hierdoor zijn alle monomeren voorzien van reactieve waterstof op een functionele groep
en een reactieve hydroxylgroep ergens anders.
Polymerisatieproces bestaat uit opeenvolgende condensatiereacties.
6 Het belang van zelf-assemblage
Van polymeer tot structurele entiteit.
Overgang gebeurt zo goed als spontaan, tijdens biosynthese
- nodige energie voor zelf-assemblage zit vervat in macromolecule
Natuurlijke (natieve) configuratie = thermodynamisch stabiele vorm (1)
Hydrofobe/hydrofiele interacties drijven zelf-assemblage (hydrofobe delen zitten weg van
het water…)
- Zelf-assemblage = het spontaan tot complexere structuren samen plooien van een
macromolecule, zonder toevoer van energie of informatie.
6.1 veel eiwitten vertonen zelf-assemblage
6.2 Bv. tabak mozaïek virus
plantenvirus
Virus = complex geheel van proteïnen en nucleïnezuren (DNA of RNA)
Virion = spontaan gevormde virulente virusdeeltjes uit virale eiwitten en DNA/RNA.
Virus dringt syntheseapparaat van de gastheer binnen
- productie van meer virussen, (°) van virion
- assemblage in vitro van RNA en eiwitten
- resultaat onderzoek: componenten van een complexe biologische structuur kunnen
spontaan reassembleren en functionele structuren vormen zonder het toevoegen van
informatie van buiten af.
6.3 zelf-assemblage heeft zijn grenzen
zelf-assemblage: nodige informatie voor celstructuren ligt reeds in de polymeren.
Sommige assemblagesystemen afhankelijk van de reeds beschikbare ordening:
- Membranen, celwanden, chromosomen
6.4 hiërarchische assemblage heeft zijn voordelen voor de cel
kleine molecule >>> complexe structuren.
2 voordelen:
1. Chemische eenvoud:
Alle cellulaire structuren zijn afkomstig van 30tal kleine voorlopermoleculen
(= alfabet van de biochemie)
➢ 20 aminozuren, 5 aromatische basen, 2 suikers, 3 lipide moleculen
2. Efficiënte assemblage:
, Ingebouwde kwaliteitscontroles op ieder assemblageniveau leidt tot efficiënte
assemblages >>> defecte componenten in vroeg stadium weg filteren.
HOOFDSTUK 3: MACROMOLECULEN VAN DE CEL
Belangrijkste macromoleculen:
- Eiwitten, nucleïnezuren, koolhydraten, lipiden
Maken deel uit van biomoleculen.
1 EIWITTEN
Proteïne = lange keten AZ met gekronkelde configuratie.
- Monomeren zijn hier de AZ
>>> bestaan uit:
➢ C (α-koolstof)
➢ -COOH (α-carboxylgroep)
➢ -NH2 (α-aminogroep)
➢ “R” (restgroep)
Restgroep verschilt per AZ en bepaald chemische eig
AZ samenstelling bepaalt de ruimtelijke structuur en activiteit van het eiwit.
α-koolstof is asymmetrisch
- er bestaan 2 isomeren: L- en D-isomeer.
Aminogroep en zuurgroep kunnen ioniseren (pH afh.!)
- Bij neutrale pH: bipolair = Zwitterion (maar geen netto lading)
- Netto lading wel mogelijk bij neutrale pH: afh. van identiteit van R-groep.
20 verschillende AZ = 20 verschillende R-groepen
- grote chemische flexibiliteit
Apolaire hydrofobe aminozuren (waterafstotende R-groepen)
Polaire ongeladen aminozuren (hydrofiel)
Polaire geladen aminozuren (hydrofiel) (hebben netto lading bij neutrale pH
, Polymeren:
Functies: celstructuur, biologische katalysatoren, signaalfuncties…
Chemische binding: peptidebinding (op EX: 2 AZ kunnen binden)
- binding tussen α-carboxyl C en α-amino N
Enkele binding zonder vrije rotatie, t.g.v. partiële dubbele
Bindingskarakter van de polypeptidebinding.
Bv. glycine en alanine:
Primaire polymeerketen = primaire structuur
= ruggengraat van aminozuren met R-groepen als functionele zijketens
- R-groepen alterneren ruimtelijk langsheen de ruggengraat
Geschreven van ‘N’ → ‘C’ = van N-terminus (begin) naar C-terminus (hier worden nieuwe AZ
aangebouwd.)
Eitwitstructuur:
Bepaald door sequentie van AZ + hun onderlinge interacties
4 structuurniveaus: primair, secundair, tertiair en quaternair
, Verschillende soorten bindingen en interacties
Belangrijk voor vouwen en stabiliteit van eiwitten.
Covalente bindingen:
- Disulfidebindingen (of disulfidebruggen) (a)
➢ binding tussen 2 Cys-residu’s
(andere covalente binding: peptidebinding, geeft ook stabilisatie)
Niet-covalente interacties:
- Waterstofbruggen (b)
- Ionaire bindingen (c)
- Van der Waals interacties ((°) korte, lokale ladingsveranderingen, dipolen) (d)
- Hydrofobe ‘interacties’ (reageren omdat beide niet bij water willen zitten) (d)
Verschillende organisatielevels van de proteïne structuur:
- Primair: AZ sequentie met covalente peptidebindingen
- Secundair: vouwing tot α-helix of β-sheet of een random spoel met waterstofbruggen
- Tertiair: 3D vouwing van een polypeptideketting met disulfide bindingen,
waterstofbruggen, ionaire bindingen, Van der Waals interacties en hydrofobe interacties
- Quaternair: associatie van meerdere polypeptiden om een multimeer eiwit te vormen.
