Deeltoets 1: Metabolisme en biochemie
Hoofdstuk 1
Know that 98% of the atoms in a living organism are carbon, oxygen, and hydrogen.
Mensen bestaan uit: 63% waterstof, 25.5% zuurstof en 9.5% koolstof.
Understand that all known forms of life require water.
Know that nitrogen, phosphorus, and sulfur also play important roles in organisms.
Describe the composition of fuel molecules and their products after oxidation.
Brandstof moleculen zijn compleet opgebouwd uit koolstof, waterstof en zuurstof. In een reactie met
zuurstof produceren ze koolstofdioxide en water, dit noem je verbranding. Dit levert energie.
Explain the advantage of carbon over silicon as a major constituent of living cells.
Koolstof vormt sterkere bindingen met elkaar dan silicon, ook al is silicon meer aanwezig in de
aardkorst. Omdat koolstof zo stabiel is kunnen lange koolstof backbone ketens gemaakt worden en
meer energie komt vrij bij verbranding van deze bindingen. Ze zijn dus betere bouwmaterialen en
leveren meer energie. Ook blijft het in de circulatie doordat het verandert in koolstofdioxide en
hergebruikt kan worden.
Describe and differentiate between the key classes of biomolecules, explain the various uses of
proteins in the cell and describe the building blocks and structure of proteins.
Eiwitten bestaan uit 20 verschillende aminozuren gekoppeld door peptidebindingen. Deze polymeren
vouwen en volbrengen biochemische functies. Ze kunnen signaalmoleculen en receptoren voor deze
moleculen zijn. Structureel zorgen ze voor beweging en bescherming. Hun grootste rol is het
katalyseren van reacties door enzymen (snelheid chemische reactie verhogen zonder gebruikt te
worden).
Know the two main kinds of nucleic acids in the cell and that they are mainly used for storing
information, describe the building blocks and structure of nucleic acids and know the names and
structures of the four “bases” used in DNA.
Nucleïnezuren bevatten en transporteren informatie door cellen. Ze bevatten cellulaire instructies en
zijn opgebouwd uit vier nucleotiden. Nucleotiden zijn opgebouwd uit een vijf-koolstof suiker, een
deoxyribose/ribose aan een heterocyclische ring (basis) en minstens één fosforyl groep. DNA
(deoxyribonucleic acid) bevat de informatie. DNA is opgebouwd uit vier nucleotiden: adenine,
cytosine, guanine en thymine verbonden met elkaar via fosfodiëster bindingen in een dubbele helix.
RNA (ribonucleic acid) is enkelstrengs. Messenger RNA (mRNA) is een template voor eiwitproductie,
vaak wordt dit hierna afgebroken. Thymine is vervangen door uracil en er is een extra hydroxyl (-OH)
groep aanwezig.
Understand the uses of lipids in the cell and explain which classes of biomolecules are used as fuel.
Vetten zijn kleiner en bevatten een hydrofiel en hydrofoob gedeelte. Hierdoor kan een binnen en
buiten ontstaan. De hydrokoolstof ketens kunnen geen interactie met water aangaan en binden aan
het vet en de wateroplosbare gedeelten gaan een binding aan met water buiten het membraan. De
hydrofobe gedeelten bevatten veel cellulaire energie. Ook zijn vetten cruciale signaalmoleculen.
Define what carbohydrates are and what the building blocks are for macromolecules such as starch
and glycogen.
Koolhydraten zijn een belangrijke brandstof, denk aan glucose opgeslagen als sterk vertakt glycogeen
of zetmeel. Deze kunnen ook veel linken aan elkaar en een rol spelen in celherkenning of cel-cel
interacties aan het buitenmembraan.
,Hoofdstuk 2
Define what is meant by Brownian motion.
Brownian motion is beweging door fluctuatie van de energiecontent van de omgeving, ook wel
termal noise aangestuurd door temperatuur. Water is hier een goed medium voor, maar ook in de
lucht gebeurd dit.
Relate the angstrom to other units of length such as the meter. (intro chapter 2), explain what is
meant by transient chemical interactions. (intro chapter 2) and know the length of a typical
noncovalent bond. (intro chapter 2)
1 angstrom = 0.1nm. Een typische noncovalente binding is 0.4 angstrom. Transient chemische
interacties zijn zwakke bindingen die dynamische interacties toestaan en energie en informatie van
cel en organisme overdragen. Deze vormen de basis voor biochemie. Voorbeelden hiervan zijn
interacties tussen fosfolipiden in een membraan of de interactie tussen een enzym en substraat.
Discuss how a water molecule can be considered to have a dipole, or to be polar.
Een watermolecuul bestaat uit één zuurstof en twee waterstof atomen. Zuurstof is
een elektronegatief atoom en trekt harder aan de elektronen dan waterstof, ook al
zijn het covalente bindingen. Hierdoor is de zuurstof licht negatief geladen en de
waterstofatomen licht positief. De niet uniforme ladingsverdeling noem je polair.
Define the term hydrogen bond.
Door de positieve lading van zuurstof is interactie mogelijk met andere negatieve
moleculen, deze binding noem je een waterstofbrug. Hierdoor worden constant structuren gevormd
en afgebroken in water. Water is coherent door binding met andere watermoleculen (3.4 ongeveer
per molecuul, maximaal 4). Dit zorgt voor bijvoorbeeld sapstromen in bomen via transpiratie.
Describe the hydrophobic effect.
Componenten die niet op kunnen lossen in water zijn nonpolair of hydrofoob. Ze duwen zichzelf van
het water weg. Hierdoor vouwen eiwitten en vormen membranen.
List the three kinds of noncovalent bonds that mediate interactions among biomolecules and
describe their characteristics.
1. Ionbindingen (elektrostatische interacties/zoutbruggen) zijn interacties tussen verschillende
elektrische ladingen op atomen (vaak compleet -/+).
2. Waterstofbruggen (8-20 kJ/mol) zijn niet uniek voor watermoleculen. Dit kan altijd ontstaan
bij een covalente waterstofbinding aan een elektronegatief atoom! Ze zijn veel zwakker dan
covalente bindingen. Ook zijn ze langer dan covalente bindingen (1.5-2.6A).
Waterstofbruggen binnen moleculen worden ook verstoord en vervangen door
watermoleculen. De donor is de groep die zowel waterstofatoom als donoratoom bezit.
3. Van der Waalsbindingen (2-4 kJ/mol) zijn elektrostatische bindingen bij niet geladen
moleculen. Door de verandering van lading in tijd rondom moleculen is zijn er tijden van
positieve en negatieve lading (door beweging elektronen). Hierbij kan aantrekking komen tot
ze gescheiden worden onder de van der Waals contactafstand (3-4A), bij deze afstand is de
energie het hoogst waarbij repulsie plaatsvindt. Het net effect is de overlap van
, elektronenwolken waardoor de binding sterker wordt. Voorbeelden hiervan zijn pootjes van
gecko’s, door de grote getalen zwakke bindingen is dit mogelijk.
Verschil in sterkte is belangrijk, DNA waterstofbruggen zijn bijvoorbeeld sterk genoeg om dicht te
blijven en informatie te bewaren, maar niet sterk genoeg dat ze niet meer uit elkaar getrokken
kunnen worden voor transcriptie. (1 calorie = 4.18 Joules).
Describe how the properties of water affect the interactions among biomolecules.
Water verzwakt elektrostatische interacties. In water is de energie in de ionbindingen veel lager dan
in een vaste vorm. De individuele ionen binden namelijk aan de watermoleculen, omdat water een
hoge di-elektrische constante heeft. Hierdoor is ook de warmtecapaciteit van water hoog, alle
waterstofbruggen in water moeten worden verbroken voordat mobiliteit mogelijk is. Daarom is water
een belangrijke temperatuurbuffer in cellen.
State the equation for Coulomb’s law and understand what it means.
De energie van interacties van ionbindingen is te berekenen met Coulombs wet: E=energie,
q1/q2= ladingen op atomen, r=afstand tussen atomen, D=di-elektrische constante (verschilt per
medium) en k=proportionaliteit constante. In vacuüm D=1 (hoogst). De grootste afstand
mogelijk is 3 angstrom.
Hoe lager de di-elektrische constante, hoe sterker de interacties met verschillende ladingen.
Explain the origin of the hydrophobic effect between nonpolar molecules and give examples of
their importance in biochemical interactions.
Nonpolaire of hydrofobe moleculen kunnen geen interactie aangaan met water. Dit komt voort uit het
verstoren van waterstofbruggen tussen watermoleculen, waarna de watermoleculen herorganiseren
om het hydrofobe molecuul en zeer geordend komen te liggen. De entropie neemt af. Non-polaire
oplosbare moleculen komen samen in water en herorganiseren samen, omdat ze ook
watermoleculen loslaten in dit proces (entropie neemt toe) en niet omdat ze een hoge affiniteit voor
elkaar hebben. Bij het vormen van hydrofobe bindingen is geen energie nodig, omdat de entropie van
water toeneemt.
Membraanformatie ontstaat door dit effect. Een amfipathisch molecuul heeft twee chemische
persoonlijkheden (hydrofiel en hydrofoob). Reorganisatie vindt plaats waarbij hydrofiel met hydrofiel
interactie aangaat en hydrofoob met hydrofoob. Onder de juiste omstandigheden vormt een
membraan.
Vouwing van eiwitten gaat ook via dit systeem. Een ongevouwen eiwit kan een unieke conformatie
aannemen, geen twee moleculen zijn in dezelfde conformatie. De entropie is dus zeer hoog. De
vouwing gebeurd ook spontaan onder bepaalde condities waarbij dezelfde conformatie aangenomen
wordt en entropie afneemt. In de omgeving neemt dit dan toe. Hydrofobe delen van aminozuren
hebben hoge affiniteit voor elkaar, bij vouwing neemt entropie in omgevend water daardoor toe. Ook
andere zwakke bindingen komen hierbij tot stand.
State the Second Law of Thermodynamics. Explain what is meant by entropy.
De totale entropie van een systeem en zijn omgeving nemen altijd toe in een spontaan proces
(zonder energie input). Als het ergens afneemt, moet het ergens anders toenemen. Entropie is een
meting van willekeur. Dit kan een chemische reactie, een cel, etc zijn waarbij atomen mengen of
watermoleculen ontstaan. De entropie van een reactie is de mogelijkheid van een systeem naar
maximale willekeur te bewegen.
, Name, draw and recognise key functional groups in biochemistry (table2.1)
Functionele groepen hebben dezelfde chemische eigenschappen en alle hebben waterstofbinding of
ionbinding potentiaal.
Define pH and pKa.
pH is de meting van de waterstofionconcentratie van 0-14. Hoe lager hoe zuurder, hoe hoger hoe
meer basisch. Verandering in pH zorgt voor een ander elektrostatische omgeving wat de zwakke
bindingen aan kan passen en dit zorgt voor functieverlies.
pH = -log [H+] en [H+] = 10-pH
