Biomoleculen: suikers, vetten, eiwitten en DNA

Biomoleculen

• Biomoleculen zijn polyfunctionele koolstofverbindingen die van nature voorkomen in organismen.
• Ze dienen als bouwstof, regulerende stof en brandstof.
• Biomoleculen worden opgebouwd door condensatiereacties, waarbij water wordt afgesplitst.
• Biomoleculen worden afgebroken door hydrolysereacties, waarbij water wordt opgenomen.
• De vier grote groepen biomoleculen zijn sachariden (suikers), proteïnen (eiwitten), lipiden (vetten) en nucleïnezuren (DNA/RNA).

Sachariden of Suikers

• De bouwstenen (monomeren) van sachariden zijn monosachariden, zoals glucose en fructose.
• Sachariden bevatten de chemische elementen koolstof (C), waterstof (H) en zuurstof (O).
• Suikers worden onderverdeeld in monosachariden, disachariden en polysachariden.
• Een monosacharide is een bouwsteen van sachariden of suikers.
• Glucose komt voor in sap van appels en druiven, honing en bloed.
• Galactose zit in lactose (melksuiker).
• Fructose is te vinden in vele zoete vruchten, zoals vijgen.
• Ribose is een bestanddeel van RNA (ribonucleïnezuur).
• Desoxyribose is een component van DNA (desoxyribonucleïnezuur).
• De brutoformule van glucose, galactose en fructose is C6H12O6.
• De brutoformule van ribose is C5H10O5.
• De brutoformule van desoxyribose is C5H10O4.
• Een aldose is een monosacharide met een eindstandige carbonylgroep, bijvoorbeeld glucose of galactose.
• Een ketose is een monosacharide met een carbonylgroep die niet eindstandig is, bijvoorbeeld fructose.
• Een hexose is een monosacharide met 6 koolstofatomen, zoals glucose, galactose of fructose.
• Een pentose is een monosacharide met 5 koolstofatomen, zoals ribose of desoxyribose.
• Glucose wordt geproduceerd in de cellen van groene planten door fotosynthese in de bladgroenkorrels (chloroplasten) met behulp van bladgroen (chlorofyl) en zonlicht: 6 CO2 + 6 H2O --> C6H12O6 + 6 O2.
• Glucose wordt verbrand (geoxideerd) in de cellen van groene planten en dieren door celademhaling in de mitochondriën: C6H12O6 + 6 O2 --> 6 CO2 + 6 H2O + ATP (adenosinetrifosfaat = energie).
• Een disacharide is een sacharide opgebouwd uit twee monosachariden, bijvoorbeeld sucrose (a-glucose + β-fructose).
• De binding tussen twee monosachariden in een langer sacharide is een glycosidebinding (etherbinding).
• Sucrose (a-glucose + ẞ-fructose) komt voor in suikerbieten en suikerriet.
• Lactose (a-glucose + ẞ-galactose) is te vinden in melk en melkproducten.
• α/β-Maltose (α/β-glucose + α/β-glucose) komt voor in zetmeel van kiemende zaden (gerst) en wordt via vergisting omgezet in alcohol.
• De brutoformule van sucrose, maltose en lactose is C12H22O11.
• Moleculen met dezelfde brutoformule maar een andere structuurformule worden isomeren genoemd.
• Lactose-intolerantie is het onvermogen om lactose af te breken tot glucose en galactose door een tekort aan het enzym lactase.
• Symptomen zijn een opgeblazen gevoel, diarree en winderigheid na het eten van zuivel.
• Een oligosacharide is een sacharide opgebouwd uit een beperkt aantal (3-9) monosachariden, bijvoorbeeld galacto-oligosacharide in melk (1 glucose, 2-8 galactose) of raffinose in bonen (1 glucose, 1 fructose, 1 galactose).
• Een polysacharide is een sacharide opgebouwd uit vele monosachariden, bijvoorbeeld cellulose, opgebouwd uit veel β-glucose.
• Glycogeen is opgebouwd uit glucose en is een dierlijk reservesuiker in spieren en lever, alsook een energiebron bij schimmels.
• Zetmeel (opgebouwd uit amylose en amylopectine) is een plantaardig reservesuiker voor groenwieren en planten.
• Cellulose (opgebouwd uit glucose) is een bestanddeel van de celwand van planten en wieren (algen).
• Chitine (opgebouwd uit chemisch gewijzigde glucose) is het hoofdbestanddeel van celwanden van schimmels en het exoskelet van ongewervelde dieren (bv. insecten, krabben).
• Trage suikers (zoals poly-/oligosachariden) worden langzaam verteerd en leveren langdurige energie.
• Snelle suikers (zoals mono-/disachariden) worden snel opgenomen en leveren direct energie.
• Het plantaardige reservesuiker is zetmeel (amylum), opgeslagen in amyloplasten (zetmeelkorrels).
• Het dierlijk reservesuiker is glycogeen, opgeslagen in spieren en lever.
• Suikerreserves worden bij dieren gebruikt voor inspanning (in de spieren) en om de bloedsuikerspiegel op peil te houden (in de lever).
• Glycogeen wordt gevormd uit glucose in de lever en spieren onder invloed van insuline.
• Glucagon zet glycogeen om in glucose.
• Cellulosevezels zijn sterk door H-bruggen tussen ketens, waardoor cellulose zorgt voor stevigheid in plantencelwanden (bv. papier, karton, textiel).
• Cellulose is onverteerbaar voor de mens en de meeste dieren vanwege de unieke bindingen tussen glucosemoleculen; alleen dieren met het enzym cellulase (bv. koeien en konijnen) kunnen cellulose verteren.

Lipiden of Vetten

• Lipiden worden onderverdeeld in triglyceriden (voedingsvetten), fosfolipiden en steroïden.
• De bouwstenen van triglyceriden zijn glycerol (propaan-1,2,3-triol) en drie vetzuren.
• Triglyceriden bevatten de chemische elementen koolstof (C), waterstof (H) en zuurstof (O).
• De binding tussen glycerol en drie vetzuren in een triglyceride is een esterbinding.
• Glycerol behoort tot de alcoholen en heeft als functionele groep een hydroxylgroep (-OH).
• Vetzuren behoren tot de carbonzuren en hebben als functionele groep een carboxylgroep (-COOH).
• Glycerol is een polyfunctionele koolstofverbinding met drie hydroxylgroepen (3x hydroxylgroep).
• Een vetzuur is een monofunctionele koolstofverbinding met één functionele groep (1x carboxylgroep).
• Bij de condensatiereactie waarbij glycerol en drie vetzuren aan elkaar gebonden worden tot een triglyceride, wordt water afgesplitst.
• Triglyceriden dienen biologisch als energieopslag (in vetcellen en zaden), isolatie (onderhuidse vetlagen), waterafstoting (op huid, vacht en veren) en bescherming/ondersteuning van organen.
• Verzadigde vetzuren hebben alleen enkelvoudige bindingen, zijn vast bij kamertemperatuur en hebben een hoger smeltpunt.
• Onverzadigde vetzuren hebben minstens één dubbele binding, zijn vloeibaar bij kamertemperatuur en hebben een lager smeltpunt.
• Belangrijke verzadigde vetzuren zijn palmitinezuur (hexadecaanzuur) en stearinezuur (octadecaanzuur).
• Belangrijke onverzadigde vetzuren zijn oliezuur (ω-9 vetzuur), linolzuur (ω-6 vetzuur) en linoleenzuur (ω-3 vetzuur).
• Het verschil tussen omega-3, -6 en -9 vetzuren zit in de positie van de eerste dubbele binding geteld vanaf het C-atoom het verst van de carboxylgroep.
• Linoleenzuur (a-3): eerste dubbele binding bij 3e C-atoom.
• Linolzuur (w-6): eerste dubbele binding bij 6e C-atoom.
• Oliezuur (w-9): eerste dubbele binding bij 9e C-atoom.
• Een enkelvoudig onverzadigd vetzuur bevat één dubbele C=C-binding (mono-).
• Een meervoudig onverzadigd vetzuur bevat meerdere dubbele C=C-bindingen (poly-).
• Onverzadigde vetten zijn minder schadelijk, omdat ze goed zijn voor hart en bloedvaten, cholesterol verlagen, aderverkalking verminderen, celgezondheid ondersteunen, hersen- en oogontwikkeling bevorderen en de afweer versterken.
• De bouwstenen van fosfolipiden zijn een polaire hydrofiele kop (serine/choline met een fosfaatgroep), glycerol en twee apolaire hydrofobe vetzuurstaarten.
• Fosfolipiden zijn een bouwsteen van biologische membranen.
• De polaire, hydrofiele kop van een fosfolipide houdt van water, terwijl de apolaire, hydrofobe staart water afstoot maar wel van apolair vet houdt.
• Steroïden bestaan uit drie 6-ringen en één 5-ring.
• Cholesterol zorgt voor de stabiliteit/flexibiliteit van membranen in een dierlijke cel en functioneert als précursormolecule voor vitamine D en geslachtshormonen.
• Oestrogeen, progesteron en testosteron zorgen voor de ontwikkeling/uitvoering van primaire/secundaire geslachtskenmerken.
• Cortisol en aldosteron spelen een rol bij de suikerstofwisseling, afweerreacties, stressreacties, waterhuishouding en zouthuishouding.
• Vitamine D wordt aangemaakt door UV-straling en speelt een rol bij de opname van calcium uit voedsel.
• Galzouten helpen bij het verteren van vetten.

Proteïnen of Eiwitten

• De bouwstenen van eiwitten zijn aminozuren.
• Eiwitten bevatten de chemische elementen koolstof (C), waterstof (H), zuurstof (O), stikstof (N) en zwavel (S).
• Er zijn 20 verschillende aminozuren beschikbaar.
• Essentiële aminozuren kan je lichaam niet zelf aanmaken; deze moeten uit voeding worden opgenomen.
• Een aminozuur heeft een aminegroep, carboxylgroep en restgroep (R).
• De restgroep (R) van een aminozuur bepaalt de chemische eigenschappen (apolair, polair, ioniseerbaar) en is cruciaal voor de structuur en functie van eiwitten.
• Bij de condensatiereactie waarbij twee aminozuren aan elkaar gebonden worden tot een dipeptide, wordt water afgesplitst (hydrolysereactie is hetzelfde maar omgekeerd).
• De binding tussen twee aminozuren in een proteïne is een peptidebinding (amidebinding).
• Aminozuren worden gekoppeld via condensatiereacties in de ribosomen.
• Een oligopeptide is opgebouwd uit 3-20 aminozuren.
• Een polypeptide is opgebouwd uit meer dan 20 aminozuren.
• De structuur van proteïnen kent vier niveaus: primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur.
• De primaire structuur is de volgorde van aminozuren in een peptideketen.
• Een verandering in deze volgorde leidt tot een ander eiwit.
• De eiwit is nog inactief in primaire structuur
• De secundaire structuur ontstaat door waterstofbruggen tussen amine- en carboxylgroepen, wat leidt tot een a-helix of β-plaat.
• In deze fase is het eiwit nog inactief.
• De tertiaire structuur is de driedimensionale vorm die ontstaat door bindingen tussen restgroepen van aminozuren.
• De tertiaire structuur stelt het eiwit in staat zijn functie uit te voeren.
• De quaternaire structuur ontstaat wanneer meerdere peptideketens samenkomen.
• In het endoplasmatisch reticulum (ER) worden inactieve eiwitstructuren verder opgevouwen en in het Golgi-apparaat worden extra stoffen toegevoegd.
• Transportblaasjes brengen eiwitten en vetten van het endoplasmatisch reticulum (ER) naar het Golgi-apparaat.
• Myoglobine in spiercellen bestaat uit één polypeptideketen (tertiaire structuur) waaraan een heemgroep is gebonden voor zuurstoftransport.
• Hemoglobine in rode bloedcellen bestaat uit vier polypeptiden met een heemgroep die O2 bindt.
• Oxygenatie gebeurt in de longcapillairen, deoxygenatie in de weefselcapillairen.
• Denaturatie is het ontvouwen van een actieve eiwitstructuur naar een inactieve structuur door blootstelling aan hoge temperaturen, lage pH of hoog zoutgehalte.
• Eiwitten hebben verschillende functies, namelijk structuur (celstructuur), enzymen (katalysator), transport (van gassen), communicatie (hormonen), bescherming (antistoffen) en energiebron (klein percentage).

Nucleïnezuren

• Nucleïnezuren worden verdeeld in desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA).
• De bouwstenen van nucleïnezuren zijn nucleotiden (DNA-/RNA-nucleotiden).
• Nucleïnezuren bevatten de chemische elementen koolstof (C), waterstof (H), zuurstof (O), stikstof (N) en fosfor (P).
• Een DNA-nucleotide is opgebouwd uit desoxyribose (een pentose), een fosfaatgroep en een organische base (cytosine, guanine, adenine, thymine).
• Een RNA-nucleotide is opgebouwd uit ribose (een pentose), een fosfaatgroep en een organische base (cytosine, guanine, adenine, uracil).
• Purines zijn de organische basen adenine (A) en guanine (G).
• Pyrimidines zijn de organische basen cytosine (C), thymine (T) en uracil (U).
• De fosfaatgroep geeft nucleïnezuren een zuur karakter en een negatieve lading.
• James Watson, Francis Crick en Rosalind Franklin hebben de ruimtelijke DNA-structuur in 1953 opgehelderd.
• Een DNA-helix is een dubbele spiraal, en heeft twee verticaal suikerfosfaatruggen en basenparen verbonden door 2 of 3 H-bruggen.
• Een RNA-molecule is enkelstrengig, en heeft één verticaal suikerfosfaatrug en kan ruimtelijk opgevouwen zijn.
• Guanine (G) en cytosine (C) zijn het sterkst gebonden in een DNA-helix, omdat hier drie H-bruggen gevormd worden.
• Een DNA-helix is een rechtsdraaiende molecule.
• Twee DNA-strengen hebben een antiparallelle structuur, wat betekent dat ze tegengesteld georiënteerd zijn.
• Het 5'-einde heeft een vrije fosfaatgroep en het 3'-einde een OH-groep.
• De structuur van DNA is de instructie om aminozuren in een bepaalde volgorde aan elkaar te zetten tot een polypeptide en is tevens genetisch materiaal.
• De drie soorten RNA zijn rRNA (ribosomaal RNA), mRNA (messenger RNA) en tRNA (transfer RNA).
• rRNA is de bouwsteen van ribosomen.
• mRNA brengt de instructies voor eiwitsynthese van de celkern naar ribosomen.
• tRNA brengt aminozuren naar de ribosomen, zodat ze daar omgevormd kunnen worden tot een polypeptide.

Een overzicht van de vier belangrijkste groepen biomoleculen: sachariden (suikers), proteïnen (eiwitten), lipiden (vetten) en nucleïnezuren (DNA/RNA). De les behandelt hun functies als bouwstof, regulerende stof en brandstof in organismen, en legt uit hoe ze worden opgebouwd en afgebroken.