Blok 2 Van cel tot molecuul
Hoofdstuk 1 Biochemistry and the Unity of Life
Organismen komen opvallend veel overeen op moleculair niveau: de eenheid van biochemie of de
eenheid van leven. Dit is een aanwijzing van gemeenschappelijke voorouders.
1.1 Living systems require a limited variety of atoms and molecules
Waterstof, zuurstof en koolstof beslaan voor 98% de atomen in een organisme terwijl ze in de natuur
in veel kleinere concentraties voorkomen. Waterstof en zuurstof zijn in overvloed doordat al het
leven water nodig heeft. En koolstof is in overvloed omdat het de ruggengraat van organische
moleculen vormt. Koolstof is het beste element voor organische stoffen, omdat het covalentie 4
heeft, sterke atoombindingen, energierijk is en hydrofiel. Stikstof, fosfor en zwavel zijn andere
belangrijke elementen in organische stoffen. Spoorelementen zijn tevens essentieel.
1.2 There are four major classes of biomolecules
Eiwitten (proteïnen)
- 20 verschillende aminozuren
- Peptidebindingen –COOH en NH2 afscheiding van H2O (condensatie)
- Niet vertakt
- 3D- structuur
- Signaalmolecuul (neurotransmitters)
- Receptormolecuul (denk aan opvangen neurotransmitters)
- Structuurmolecuul (microfilamenten in het cytoskelet)
- Transportmolecuul (kanaaltjes of bijvoorbeeld albumine)
- Enzym
Nucleïnezuren
- Lineaire moleculen
- 4 nucleotiden
- Bevatten erfelijke informatie in genetische code: volgorde van basen
- RNA is een transcript van een stuk DNA en wordt weer afgebroken
- Nucleotide: fosfaatgroep aan C5, ribose met base aan C1 en verbinden met C3
Vetten (lipiden)
- Geen polymeer, maar triglyceride: een molecuul glycerol en drie vetzuurmoleculen
- Half hydrofoob en half hydrofiel
- Fosfolipiden vormen celmembranen (door het hydrofobe effect)
- Signaalmolecuul (hormoon)
- Brandstofmolecuul en warmte-isolatie
Koolhydraten
- Belangrijke brandstof (glucose, in de lever en spieren opgeslagen als glycogeen, α-glucose)
- Cellulose in plantencelwanden
- Vertakt of onvertakt
- Signaalmoleculen
- Gebieden voor cell-to-cell interactions in het celmembraan! (glycocalyx)
,1.4 Membranes define the cell and carry out cellular functions
Een celmembraan bestaat uit een dubbele laag fosfolipiden die de samenstelling van het cytoplasma
reguleren. Er zijn twee voorwaarden waaraan een cel moet voldoen: een barrière die de cel scheidt
van zijn omgeving + een binnenkant die chemisch anders is dan de buitenkant en het leven
vergemakkelijkt.
Twee typen cellen:
- Prokaryote cellen: geen celcompartimenten (ook geen celkern)
- Eukaryote cellen: celcompartimenten
Celmembraan
- Semipermeabel en erg selectief (afhankelijk van de eiwitten)
- Eiwitten in het celmembraan of eraan vastgehecht laten stoffen selectief door (ook water)
Celwand (planten)
- Cellulose (zigzagvorm van β-glucose (bindingen steeds de andere kant op)
- Een stevige beschermwand voor de cel
Cytoplasma
- Glycolyse, vetzuursynthese, eiwitsynthese
- Netwerk van filamenten: Actinefilamenten, Intermediaire filamenten en microtubules.
- Functie: structuur van de cel, lokalisatie van processen en een snelweg voor moleculen.
Celkern
- Dubbel membraan
- Bevat DNA, mRNA gaat via poriën naar ribosomen
Mitochondriën
- Dubbel membraan, ertussen matrix
- Citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering vindt hier plaats
- Cyanide en koolstofmono-oxide tasten mitochondria aan
Chloroplast (planten)
- Dubbel membraan
- Fotosynthese (CO2 + H2O + zonlicht = Glucose + O2)
Endoplasmatisch reticulum
- RER: eiwitsynthese, eiwitten voor in het celmembraan of erbuiten
- Losse ribosomen: eiwitten voor in de cel
- SER: verwerkt stoffen van buiten, bewerkt eiwitten
In het lumen van het RER vouwen de eiwitten zich op m.b.v. chaperone-eiwitten.
De eiwitten worden vaak bewerkt (bijv. koolhydraten eraan) in SER en Golgicomplex.
Golgicomplex
- Bewerking van eiwitten en secretiekorrels ervan maken
- Als het juiste signaal is gegeven vindt exocytose plaats
- Endocytose gebeurt met voedingstoffen en medicijnen etc.
- Fagocytose gebeurt met ziekteverwekkers door witte bloedcellen
,Lysosomen
- Met verterende enzymen om celmateriaal af te breken en ziekteverwekkers/antigenen
Vacuoles (planten)
- Enkel membraan met opslag voor water, ionen en voedingstoffen
Hoofdstuk 2 Water, Weak bonds and the generation of order out of
chaos
De vier belangrijkste biomolecuulgroepen zijn: eiwitten, nucleïnezuren, vetten en koolhydraten. Ze
zijn stevig vanwege de covalente bindingen. De structuur en functies van de cel komen echter vooral
tot stand door zwakke interacties.
Mogelijk omdat er veel zwakke interacties zijn die samen stabiliteit creëren.
Voordelig omdat ze voor vergankelijke/dynamische interacties zorgen en die zijn essentieel!
De lengte van niet-covalente bindingen is 0,4 nm. (Langer dan covalente bindingen)
2.1 Thermal motions power biological interactions
Temperatuur bepaalt de willekeurige fluctuatie van de energie-inhoud van de omgeving: thermal
noise. Watermoleculen en gasmoleculen bewegen daardoor willekeurig op en neer. De beweging
heet: Brownian motion en is een essentiële bron van leven: het initieert biochemische interacties via
water als belangrijkste medium.
2.2 Biochemical Interactions take place in an Aqueous Solution
Elke cel bestaat voor het grootste deel uit water. Water verschaft moleculen mobiliteit en levert
medium voor Brownian motion interactie tussen moleculen.
Een watermolecuul is polair en bestaat dus uit twee polaire bindingen. De elektronegativiteit van
water en zuurstof verschilt, dus schuift het elektronenpaar een beetje naar het O-atoom. Door deze
ladingsverdeling in het molecuul worden waterstofbruggen mogelijk: O-H, N-H, C=O, C≡N, C-F.
Deze bindingen zijn zwak en worden voortdurend gevormd en afgebroken. Water is hierdoor
cohesief en oplosmiddel voor elk geladen of polaire stof.
Apolaire/hydrofobe moleculen mengen niet met water en vormen een tweelagensysteem.
Cel/organelmembranen zijn het resultaat van hydrofobe interacties!
2.3 Weak interactions are important Biochemical properties
Niet-covalente bindingen zijn essentieel in de stroom van energie en informatie, bijvoorbeeld DNA-
replicatie, eiwitopvouwing, het herkennen van substraat door enzym en signaalstofdetectie.
1. Elektrostatische binding (ionen, iondipoolbinding, aminozuren)
2. Waterstofbrug (oplossen moleculen, aminozuren)
3. Vanderwaalsbinding (alle moleculen)
Ze verschillen in werking, sterkte en specificiteit. Water heeft altijd een grote invloed.
Elektrostatische binding
De binding tussen geladen atomen, de kracht van de binding wordt gegeven door de wet van
Coulomb
𝑄1∙𝑄2
F=k∙ 𝐷∙𝑟2
D = diëlelektrische constante (staat voor het effect van het medium).
Elektrostatische bindingen zijn het sterkst in vacuüm, D=1, en een afstand van 3 A =(o,3 nm). Water,
D= 80 en verzwakt dus de binding omdat het zelf geladen is en interacties aangaat.
Elektrostatische bindingen zijn dus maximaal is een ongeladen omgeving. Dit is waarom zouten
, oplossen in water. De bindingen gaan verloren door interactie met water.
Water kan geladen en polaire stoffen oplossen. De Brownian motion stimuleert botsing tussen de
opgeloste moleculen en dus interacties.
Waterstofbrug
N-H en O-H zijn de meest voorkomende waterstofbrugvormers. Ze zijn zwakker en langer dan
covalente bindingen (2,4 -3,5 A respectievelijk 1,5 -2,6 A). De waterstofbruggen worden verbroken
door water dat zelf bruggen vormt en dus is de binding het sterkst in de afwezigheid van water.
Vanderwaalsbinding
De vanderwaalsbinding bestaat tussen elk atoom. De oorzaak is het fluctueren van elektrische lading
rond een atoom (de elektronen draaien om de atoomkern heen) en de distributie is niet symmetrisch
waardoor negatieve en positieve gebieden ontstaan. Deze asymmetrie veroorzaakt ook weer
asymmetrie in naburige atomen dat complementair is waardoor ze elkaar aantrekken. Hoe dichterbij,
hoe groter de aantrekking totdat ze de contactafstand bereiken (3-4 A) (afhankelijk van de atomen)
omdat de elektronenwolken elkaar dan overlappen en elkaar afstoten. Het zijn vrij zwakke bindingen.
Hoe meer atomen een molecuul heeft, hoe sterker echter de vanderwaalsbinding.
Zwakke bindingen worden gemakkelijk verbroken, essentieel in bijvoorbeeld DNA. De
waterstofbruggen vormen de helix en beschermen zo de basenvolgorde, maar maakt het wel
toegankelijk.
2.4 Hydrofobic molecules cluster together
De reden waarom hydrofobe moleculen niet mengen met water, maar een tweelagensysteem
vormen kan herleid worden uit de tweede wet van de thermodynamica.
De totale entropie van een systeem én zijn omgeving neemt altijd toe in een spontaan proces.
Entropie is een maat voor willekeurigheid.
Als een hydrofoob molecuul zich in water bevindt, gaat het geen interacties aan maar verbreekt wel
waterstofbruggen. Die watermoleculen verplaatsen zich (heroriënteren) om het maximale aantal
waterstofbruggen alsnog te vormen. De introductie van het hydrofobe molecuul verkleint de
entropie van water omdat de watermoleculen rondom dit molecuul minder bindingsmogelijkheden
hebben. Twee hydrofobe moleculen gaan samenplakken omdat ze zo de entropie van water
verhogen én omdat ze een grote affiniteit hebben voor elkaar. Dit wordt het hydrofobe effect
genoemd. Hier is geen energie voor nodig omdat ze de entropie vergroten (een spontaan proces).
Membraanformatie wordt gestimuleerd door het hydrofobe effect
Een fosfolipide heeft een hydrofiele kop en een hydrofobe staart. De kop bestaat uit polaire en
geladen delen. De twee hydrofobe ketens zijn apolair. Zo’n molecuul met twee chemische
eigenschappen die tegengesteld zijn heet amfipathisch.
Onder de juiste omstandigheden in water vormen ze membranen: een aaneengesloten tweelaag wat
gestabiliseerd wordt door de vanderwaalsbinding in de hydrofobe staarten en de waterstofbruggen
tussen de hydrofiele koppen. Membranen bepalen de binnen en buitenkant van de cel en vormen zo
barrières. (Want: geen flipflop-effect)
Eiwitopvouwing
Eiwitten spelen een essentiële rol omdat ze 3D-structuren vormen die specifieke interacties met
andere biomoleculen stimuleren. Elk ongevouwen identiek eiwit kan een unieke conformatie
aannemen waardoor de entropie van water hoog is, maar ze kunnen maar op één specifieke manier
worden opgevouwen, wat de entropie verlaagt. (Hierdoor moet de entropie ergens anders in het
