Biomoleculen in levende organismen

Inleiding tot Biomoleculen

• Alle eigenschappen van het leven worden bepaald door biomoleculen, waaronder voortplanting, groei, metabolisme en signaaltransductie.
• Niet alle soorten biomoleculen zijn: eiwitten, suikers, nucleïnezuren, vetten.
• Biomoleculen bevinden zich meestal in een waterig milieu, zoals in het lichaam.

Chemische Elementen in Levende Materie

• Primaire elementen (C, H, O) vertegenwoordigen 94% van de levende materie.
• Water maakt 75% van het lichaamsgewicht uit.
• Secundaire elementen zijn N, P, S, Cl, K, Ca en Mg (6%).
• Microbestanddelen zijn Fe, Zn en I; een tekort aan deze stoffen kan leiden tot een tekort aan zuurstoftransporters in het bloed.
• Sporenelementen omvatten Mn, Cu, Co, F en Se.
• De 3D-structuur speelt een belangrijke rol in de biochemische en fysiologische functie van een biomolecule, bijvoorbeeld bij enzymatische reacties ("lock and key").
• Space filling-modellen tonen atomen als bollen in hun ware grootte, terwijl ball & stick-modellen atomen als bollen en bindingen als stokken weergeven.

Covalente Bindingen in Biomoleculen

• Covalente bindingen zijn bindingen waarbij atomen elektronen delen, wat zorgt voor een stabiele elektronenconfiguratie.

Overzicht van Covalente Bindingen

• Ether: R-O-R2, komt voor in membraanlipiden.
• Carboxylester: R-C(=O)-O-R2, treedt op in triglyceriden.
• Fosfaatester: R-O-P(=O)(OH)-O-R, komt voor in fosfo-eiwitten.
• Fosfodiester: R-O-P(=O)(OH)-O-R2, treedt op in nucleïnezuren en fosfolipiden.
• Amide: R-C(=O)-NH-R2, komt voor in polypeptiden.
• Thio-ester: R-C(=O)-S-R2, bekend van Acetyl-CoA enzym A.
• Thio-ether: R-S-R2, treedt op in methion.

Niet-covalente Interacties in Biomoleculen

• Zwakke krachten hebben een groot effect op de structuur en stabiliteit.
• Ze zijn makkelijk te verbreken, wat nodig is voor flexibiliteit.

Verschillende soorten interacties:

• Dipoolinteracties: Bij moleculen met ongelijke verdeling van ladingen.
• Van der Waalskrachten: Intermoleculaire interacties tussen neutrale atomen die dicht bij elkaar komen.
• Waterstofbruggen: Kracht tussen een elektronenpaar op een sterk elektronegatief atoom (O, N, F) en een naburig H-atoom.
• Zoutbruggen (lading-lading interacties): Elektrostatische binding tussen twee tegengesteld geladen atomen (sterke binding).
• Hydrofobe interacties: Bij groepen die geen interactie met water aangaan; drijvende kracht is het minimaliseren van contactoppervlak tussen hydrofobe structuren en water.

Permanente en Geïnduceerde Dipool Interacties

• Permanente dipolen: Ongelijke verdeling van lading, waarbij het ene uiteinde positiever is dan het andere.
• De netto lading kan nul zijn (bijv., H2O en CO2).
• Het dipoolmoment (μ) is een maat voor de polariteit van een molecule en wordt aangeduid als een vector met grootte μ = qx (q = lading, x = afstand).
• Geïnduceerde dipolen: Moleculen kunnen een dipoolmoment krijgen in een elektrisch veld (bijv., aromatische verbindingen).

Moleculaire Afstoting

• Moleculaire afstoting treedt op bij extreem kleine afstanden, afhankelijk van de Van der Waals-radius.
• Atomen omgeven door elektronenwolken stoten elkaar af wanneer ze te dicht bij elkaar komen.
• De minimumafstand waarop twee atomen elkaar kunnen naderen, is de Van der Waals-radius R.

Belangrijke Functionele Groepen in Biomoleculen

• Methylgroep (-CH3): komt voor in lipiden.
• Ethylgroep (-CH2-CH3): komt voor in lipiden.
• Methyleengroep (-CH2-): komt voor in lipiden.
• Hydroxylgroep (-OH): komt voor in bijna alle biomoleculen.
• Carbonylgroep (-C=O): komt voor in aminozuren, eiwitten, suikers en vetten.
• Aldehyde (-C(=O)H) treedt op bij suikers.
• Carboxylgroep (-C(=O)OH) treedt op bij suikers.
• Primaire amine (-NH2): komt voor in eiwitten en lipiden.
• Secundaire amine (-NH-): komt voor in eiwitten en nucleïnezuren.
• Tertiaire amine treedt op in eiwitten.
• Sulfaatgroep (O-S(=O)2-O): komt voor in biomoleculen.
• Fosfaatgroep (O-P(=O)(OH)-O): komt voor in nucleïnezuren.
• Acylgroep (-C(=O)-R) treedt op bij suikers.
• Hemiacetalgroep (-C(OH)-OR): komt voor in cyclische vormen van monosachariden.
• Acetalgroep (C(OR)-OR): komt voor in disachariden.

Eigenschappen van Water

• Alle biomoleculen komen voor in een waterige omgeving, wat effect heeft op hun vorm.
• Water zorgt voor transport van biomoleculen van en naar de plaats van chemische reacties.
• Water speelt een actieve rol bij chemische processen, waaronder fotosynthese (oxidatie van water met vorming van zuurstof).

Fysische Eigenschappen van Water

• Water is een polaire molecule, waarbij zuurstof partieel negatief en waterstof partieel positief geladen zijn.
• Elektrostatische interacties zijn cruciaal.
• Tussen watermoleculen ontstaan waterstofbruggen.
• Elke watermolecule neemt een andere oriëntatie aan elke 10-12 seconde.
• IJs heeft een open structuur doordat elke watermolecule omgeven is door vier andere watermoleculen in een tetraëderstructuur.
• IJs heeft een open structuur, wat betekent dat water uitzet bij bevriezen.
• Hydrofiele moleculen lossen op in water, dat een ideaal oplosmiddel is.
• Apolaire moleculen zijn oplosbaar in apolaire solventen (hydrofoob).

Hydrofoob Effect

• Niet-polaire stoffen aggregeren in water.
• Minimaliseert contact met water.
• Amfipatische moleculen (deel hydrofoob, deel hydrofiel).
• Water is een neutraal molecuul dat een kleine neiging heeft tot ionisatie.
• De dissociatieconstante van water (Kw) is 10-14 bij 25°C.
• De pH wordt berekend als -log[H3O+].
• Zuren doneren protonen, basen accepteren protonen.

Effect van Buffers op de pH

• Metabolische processen vinden plaats in nauwe pH-regio's.
• Buffers zorgen ervoor dat de pH stabiel blijft.
• Polyprotische zuren hebben meerdere bufferzones.
• In bloed steunt bufferend vermogen op evenwicht tussen twee reacties: gasvormig CO2 in bloed en waterstofcarbonaat, en waterstofcarbonaat en bicarbonaat (met afsplitsing van H+).

Deze les behandelt de rol van biomoleculen zoals eiwitten, suikers, nucleïnezuren en vetten in levende organismen. Er wordt ingegaan op de elementen die essentieel zijn voor het leven en de soorten bindingen die biomoleculen vormen. De les behandelt ook de structuur en functie van biomoleculen.