Bouwestenen van het leven
I Elementen & Energie (Essential Cell Biology: Ch. 2 and 3)
I.1 Wat relevante elementen
I.2 Energie
I.3 Interacties
I.4 Affinteit
I.5 ATP
Hoorcollege 1, 3-9
Wat relevante elementen
Goals: Cellen zijn opgebouwd uit een aantal verschillende soorten atomen en waarom
Hoe atomen combineren om moleculen te vormen
Wat gebeurt er in redox en protonering/deprotonering reacties.
Cellen zijn opgebouwd uit een aantal verschillende soorten atomen en waarom
Atomen bestaan uit een kern met daar omheen een wolk van elektronen.
- In de kern: neutronen en protonen (+ geladen) en daaromheen de elektronen (- geladen).
- Hoeveel elektronen, bepaald de eigenschap van het molecuul.
- Streeft naar edelgasconfiguratie, buitenste schil vol (1e 2 elktr. en daarna 8).
- door: kwijtraken -> afstaan
erbij komen -> opnemen van andere atoom
- veroorzaakt door: elektronegativiteit
- afhankelijk van algemene bouw/architectuur.
- wat en de gevolgen? is niet identiek, daarom polair?
- Atoomnummer geeft aan hoeveel protonen en elektronen er aanwezig zijn.
- aantal protonen: nummer aantal elektronen: massa – nummer
- Een klein gedeelte van de chemische elementen bevinden zich in het biologische systeem.
- Deze zijn geselecteerd op hun vermogen om bindingen te vormen.
Hoe atomen combineren om moleculen te vormen
Meer dan 1 atoom = molecuul
- Sprake van covalente binding(= een chemische binding) in moleculen.
- Covalente binding -> delen van één paar elektronen bij twee atomen.
- 1 meer en 1 minder elektronegativiteit, gaan covalente binding aan.
- polair, ene kant is wat meer positief en andere kant negatief
- belangrijkste polaire binding op aarde: H2O
- H is + en O is -
- kan alles in oplossing brengen
- hierdoor kunnen atomen hun schillen vullen of leegmaken (edelgasconfiguratie)
- Bijv. Carbon is de meest voorkomende vorm in biologie en heft een uniek rol in de cel
vanwege zijn vermogen om sterke covalente bindingen te vormen met ander koolstofatomen.
- Carbon heeft 4 elektronen in de buitenste schil, dus hij staat af of neemt op.
- 60% van ons droge lichaamsgewicht.
- Bijv. Zuurstof is ook vaak voorkomend.
- heeft 6 elektronen in de buitenste schil, dus neemt vaak 2 elektronen op.
- 9% van ons droge lichaamsgewicht.
- Bijv. Waterstof is het kleine atoom en heeft 1 elektron en 1 proton.
- Enige binding is delen van een elektronenpaar, de rest is interactie.
Voorwaarde om reactie aan te kunnen gaan, molecuul moet in oplossing zijn.
- Alle chemische reacties functioneren alleen in het water.
- Geen polair, apolair?, kunnen niet in water oplossen
- Door klein verschil in elektronegatviteit
- Bijv. water kan protonen opnemen of afstaan (H3O+ een hydroniumion)
,Bouwestenen van het leven
Elektronegativiteit -> atomen zijn min of meer in staat om elektronen aan te trekken die gedeeld
worden in een covalente binding.
- hangt af van de algemene bouw: - grootte van de elektronenwolk
- afstand van de buitenste laag tot de kern
- ladingsdichtheid binnen de kern
- kan polariteit oproepen -> ongelijke ladingsverdeling binnen moleculen.
- De grootte van polariteit is afhankelijk van de verschillen in elektronegativiteit
tussen de atomen die daadwerkelijk deelnemen aan een chemische binding.
- Bijv. O2 is apolair, maar H2O is wel polair.
- In extreme gevallen kunnen de verschillen in elektronegativiteit zelfs vorming van
Ionen mogelijk maken, die elkaar nog steeds kunnen aantrekken in ionische bindingen.
- Waterpolariteit is een cruciaal aspect van het leven op aarde -> hierdoor kunnen
chemische reacties in oplossingen plaatsvinden.
Koolwaterstoffen -> kunnen moleculaire bouwstenen vormen, want zijn apolair en hydrofoob.
- Komt doordat er niet veel verschil is in elektronegativiteit tussen C en H.
- Bijv. Methaan, methylgroepen.
H-atomen kunnen dissociëren(uiteenvallen) en ionenparen veroorzaken als ze binden aan atomen
met hogere elektronegativiteit.
- Bijv. een carboxylgroep in aminozuur -> vrijgemaakte proton aan H2O -> H3O+ gevormd.
- Tegenovergestelde: aminogroepen kunnen protonen accepteren en worden juist positief geladen.
- Gebeurt ook in zuiver water waarbij de concentratie H3O+ als pH
wordt uitgedrukt -> pH = -log [H3O+] & [H3O+] = 10-pH M
Redox processen
Redox -> werken met elektronen door het afstaan of opnemen.
- Gebeurt vaak in metalen
- oxidatie -> opname van elektronen (stof wordt gereduceerd)
- Fe2+ -> Fe3+ + e-
- Fe2+ + oxidator –> [Fe3+ + e- + oxidator] –> Fe3+ + oxidizer-
- De oxidator is gereduceerd (krijgt 1 elektr.) (en Fe is geoxideerd (verliest 1 elektr.)).
- reductie -> afstaan van elektronen (stof wordt geoxideerd)
3+ - 2+
- Fe + e -> Fe
- Fe3+ + reductor –> [Fe3+ + e- + reductor] –> Fe2+ + reductor
- De reductor is geoxideerd (verliest 1 elektr.) (en Fe is gereduceerd (krijgt 1 elektr.)).
Energie
Goals: Wat is een toestandsvariabele/functie & wat betekenen vrije energie, entropie, enthalpie.
Wat is de 1e en 2e wet van thermodynamica en wat houd het inhoud.
Hoe veranderingen in vrije energie de richting/kant van energie bepalen
Energie -> beschrijft hoeveel werk een systeem zou kunnen verrichten of hoeveel warmte een
systeem zou kunnen produceren.
- Is een fundamentele hoeveelheid die elk systeem bezit.
- Meten in Joule
Elektrische energie -> stroming van elektronen aangedreven door verschil in elektrisch potentiaal.
- altijd van van - pool naar + pool (geldt voor elektronen)
- geen weerstand -> energie = warmte
- wel weerstand -> energie = arbeid en vaak warmte
-> Cruciaal: eiwitten en biologische membranen, elektronen dan gaan over het membraan
- redox proces, dus komt warmte vrij
,Bouwestenen van het leven
Hoorcollege 2, 4-9
Thermodynamica verdeelt de wereld in 2 entiteiten: systeem -> wat je zelf definieert
omgeving -> de rest (wat je niet definieert)
Toestandsfuncties/variabele -> beschrijven een toestand van het systeem.
- Onafhankelijk van de weg om deze staat te bereiken.
- Potentieel energie -> hoeveelheid energie in het systeem.
- Toename van de hoogte is een toename van de potentiele energie.
- Arbeid wordt toegediend en wordt omgezet in potentiele energie.
- Dus er moet energie worden toegevoegd om een reactie mogelijk te maken
- Een reactie omhoog kan niet spontaan verlopen, omlaag kan dit wel
- Veel processen is er geen idee waar het proces van een systeem staat, wel is het verschil tussen de
toestanden bekend -> daarom delta ().
Elk systeem heeft een eigen inwendige energie (U) -> deze energie verandert bij een proces/reactie.
- Inwendige energie is haast niet vast te stellen.
- Bijv. Molecuul heeft potentiele-, kinetische- en atoomenergie.
- Het gaat altijd om de verandering met de vraag: hoe groot, welke kant op, groter of kleiner.
- Laagste inwendige energie heeft een hogere waarschijnlijkheid -> reactie verloopt spontaan.
(- Algemeen kan arbeid spontaan lopen of moet het worden verricht. )
- Hoe: energie verandering gaat van hoge naar lage energie, dus is verlies en dus ‘laagst’.
1e wet van thermodynamica -> energie kan niet worden genereerd of kan niet verdwijnen.
- Inwendige energie kan worden verander door: toevoer/afvoer van warmte (Q)
- U = Q + W verrichten/spontaan arbeid (W)
Enthalpie (H) -> beschrijft de energie die nodig is om een nieuwe systeem te maken en om ruimte te
maken voor door zijn omgeving te verdringen, je creëert een nieuw systeem. (H = U + pV)
- Inwendige energie moet worden opgebracht (U)
- Het systeem heeft volume nodig, iets ander moet weg (pV)
-> (U=Q + W ->) H = Q + W + (pV)
- Verandering in enthalpie beschrijven veranderingen van inwendige energie als gevolg van
maken/verbreken van chemische bindingen en interacties.
- Bij de meeste biologische verandering is er vaak geen verandering van het volume.
- Maar wel bijv. bij een long.
- Biochemische processen zijn meestal met constante temperatuur en druk. Als er geen ander
werk/arbeid wordt gedaan is hierbij is sprake met verschil in warmte. Hp = Q = qp.
Simulatie (is in canvas beschikbaar)
- Alle deeltjes hebben binnen een doos een verschillende hoeveelheid kinetische energie
- Naar meerdere keren komt er wel een identieke verdeling -> Boltzmanverdeling
- De ene heeft veel energie en de andere minder.
- Door: botsende deeltjes effect -> energie overdracht
- Bij -273 °C, absolute nulpunt, dan is er geen sprake van energie overdracht
, Bouwestenen van het leven
Entropie (S) -> beschrijft de willekeurigheid/toevalligheid/waarschijnlijkheid van een systeem.
- Entropie verandering heeft 2 mogelijke definities:
1. Hoe verandering? -> effect als bepaalde hoeveelheid warmte wordt ingestopt/weggehaald.
- Verandering van toe/afvoer van warmte in/uit een systeem bij een bepaalde temperatuur.
- S = Q/T.
- U = Q + W (Q=TS) -> U = TS + W.
- Als de inwendige energie(U) van een systeem verandert, wil je dat deze werkt verricht maar je krijgt
nooit alle energie eruit die beschikbaar is -> want een deel wordt gebruikt voor entropieverandering.
- Bijv. warmteoverdracht (energie gaat nooit verloren).
2. Statisch/abstract: gedrag van de deeltjes.
- Als je naar een systeem kijk heb je en macro toestand, in dat systeem heb je vele micro toestanden
(hoe deeltjes zijn) -> het samenspel hiervan zorgt voor de macro toestand & kan op vele manieren.
- Alle mogelijke microstaten moeten samenvatten tot dezelfde macrostaat.
- Bijv. systeem met een bepaalde T, p en/of V, elk deeltje doen zijn eigen ding.
- Zelfs al heb je 3 dezelfde omgevingen, zijn alle 3 NIET identiek -> ze hebben een
identieke macrotoestanden & andere microtoestanden.
- Wanorde -> het aantal Ω van deze microstaten die alle combineren met 1 identieke macrostaat.
- S = kB ln Ω
-> Systemen geven de voorkeur aan (statistisch) toestanden met maximale micro toestanden ->
maximale stoornis en maximale entropie (en dus hoge wanorde).
- Veel micro toestanden -> hoge entropie.
- Minder micro toestanden -> lage entropie.
Bijv. volledige permeabel membraan, deeltjes
- Meest waarschijnlijk is situatie 5, want streeft naar want het
systeem streeft naar max. hoeveelheid microstanden
- Berekenen waarschijnlijkheid:
situatie 1: 1/2*1/2*1/2*1/2 = 1/16 (4x 1/2(1 buiten)
situatie 5: 6*1/16 = 6/16
Bijv. een nette kamer en een rommelige kamer: rommelige kamer heeft een hogere wanorde en
hogere waarschijnlijkheid, want er zijn meerder microstates, ook kost het energie om een nette
kamer te krijgen.
Simulatie (op canvas)
- 4 deeltjes: 2 binnen / 2 buiten, meest waarschijnlijk
- Bij meer deeltjes wordt de verdeling van de waarschijnlijkheid wordt nauwer/duidelijker.
- Fluctuaties hebben een grotere kans als er een experiment is met minder deeltjes
- Voor cellen met met heel veel deeltjes -> evenwicht van ionen is toestand van hoogste entropie.
2e wet van thermodynamica -> spontaan voorkomende processen vergroten de entropie van ons
universum. (Stotaal > 0)
- Stotaal = Ssysteem + Somgeving ≥0
- Dit is een fundamentele belemmering voor het leven, dat is algemeen bekend met geordende
systemen (lichamen, cellen, gevouwen eiwitten, etc.)
- Hoe: permanent vrije energie wordt omgezet in warmte, waardoor de entropie toeneemt in
de omgeving.
- Bijv. cellen onderhouden een hoge mate van ordening, die alleen instort bij celdood.
