Biochemische Stoffen in Organismen PDF

1 II. BIOCHEMISCHE STOFFEN IN ORGANISMEN I. Samenstelling van organismen en cellen I.1 Onderzoek chemische samenstelling van organismen en cellen Cellen zijn in essentie door een membraan omsloten compartimenten, gevuld met een sterk geconcentreerde waterige oplossing van chemicaliën....

1 II. BIOCHEMISCHE STOFFEN IN ORGANISMEN I. Samenstelling van organismen en cellen I.1 Onderzoek chemische samenstelling van organismen en cellen Cellen zijn in essentie door een membraan omsloten compartimenten, gevuld met een sterk geconcentreerde waterige oplossing van chemicaliën. De doorsnee cel bestaat voor ongeveer 70% uit water en het grootste deel van de cel bestaat bijgevolg uit een waterig milieu (polair of hydrofiel). Belangrijk evenwel is dat daarnaast ook duidelijk afgelijnde apolaire zones voorkomen: de membranen. Deze bevatten binnenin een dunne olie -achtige film die een apart milieu vormt waarin vet - of olieachtige stoffen zich preferentieel oplossen. Het grootste deel van de chemicaliën die in de cel voorkomen, zijn organische verbindingen (koolstofverbindingen). Meer dan 90 % daarvan zijn grote tot zeer grote moleculen met honderden tot vele duizenden koolstofatomen. Dit zijn de zogenaamde macromoleculen van de cel: polysachariden, lipiden, proteïnes en nucleïnezuren. Het overgrote deel van het drooggewicht (na verdampen van het water) van een cel bestaat uit dergelijke macromoleculen. De structuur van de cel wordt er volledig door gevormd en verder vervullen ze de meest verscheiden functies. ▪ Polysachariden - reservefunctie: zetmeel, glycogeen - structurele functie: cellulose ▪ Proteïnen - katalytische functie: enzymen - structurele functie: bijvoorbeeld keratine in de vingernagels - reservefunctie: albumine in kippeneieren - transportfunctie: haemoglobine in de rode bloedlichaampjes - regulatorische functie: hormonen ▪ Lipiden - reservefunctie: vetten en oliën - structurele functie: fosfolipiden ▪ Nucleïnezuren - DNA: genetische informatie - RNA: tussenkomst bij de expressie van de genetische informatie Daarnaast bevat de cel ook een aantal anorganische ionen (mineralen). Deze mineralen kunnen zeer uiteenlopende functies vervullen binnen de cel; bescherming, bouwsteen,… Biochemische moleculen5.2 SJB 2 I.2 Schematische voorstelling van de samenstelling van de biomassa Biomassa vers materiaal Verwarmen tot 110°C Gedurende 24 uur Droge Wat stof er Verbranden As Waarin Na, K, Ca, Mg, Fe, Cl,… Organische verbindingen Sachariden (C,H,O) Proteïnen (C,H,O,N,P,S) Lipiden (C,H,O) Nucleïnezuren (C,H,O,N) Droge stof: De biomassa waaruit alle water onttrokken is. Biochemische moleculen5.2 SJB 3 II. Water II.1 Bepaling van het watergehalte Als vers organisch materiaal (biomassa) gedurende enkele uren in een droogoven bij een temperatuur van 110°C wordt verhit, bevat het nadien geen water meer (droge stof) en kan het watergehalte van het materiaal berekend worden. II.2 Functies van water in organismen Water is levensnoodzakelijk voor alle levende wezens. Het vervult belangrijke functies: ▪ water is een belangrijk reagens bij chemische reacties in de cel Bijvoorbeeld de fotosynthesereactie licht 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Chlorofyl ▪ water is een oplosmiddel voor vele stoffen in of buiten de cellen ▪ water vormt het onmisbare milieu waarin chemische reacties in en buiten de cel gebeuren ▪ water is een transportmiddel voor vele stoffen. II.3 Factoren die het watergehalte bepalen In tabel 1 treffen we het watergehalte van een aantal dieren en planten aan. De grote variatie springt in het oog. Het watergehalte van organismen en hun cellen is afhankelijk van een aantal factoren. Organisme Percentage water Vingerwier 93 Waterpest 96 Sla 94 Witte dovenetel 78 Madeliefje 71 Kwal 95 Regenworm 80 Forel 78 Kip 74 Muis 67 Mens 66 1. De aard van het orgaan De mens heeft een gemiddeld watergehalte van 66 %. De nieren bevatten veel meer water dan onze beenderen. We zien dat er een grote verscheidenheid is in het watergehalte. Het kan variëren van 30% tot 83 %. Het grootste gedeelte van het water in organismen (en organen) bevindt zich in de cellen zelf. Maar ook tussen de cellen kan er water aanwezig zijn. Biochemische moleculen5.2 SJB 4 2. Het milieu Er kunnen soms relaties worden gelegd tussen het watergehalte en het milieu. Waterplanten (waterpest, eendenkroos...) hebben een hoger watergehalte dan moerasplanten (watermunt, waterkers...) die op hun beurt meer water bevatten dan landplanten (kruipende boterbloem, witte dovenetel...). 3. De leefwijze Bladeren van bladverliezende loofboom en (appelboom, beuk...) hebben een hoger watergehalte dan winterharde bladeren (hulst, grove den...). Zaden (boon) bevatten veel minder water dan de volledige plant (bonenplant). 4. De graad van ontwikkeling Bij dieren daalt het watergehalte naarmate de graad van ontwikkeling van het individu stijgt (mens, muis, kip, kikker). We zien vaak dat dieren van hogere hoofdafdelingen of klassen een lager watergehalte hebben dan die van lagere [zoogdier (muis), vogel (kip), amfibie (kikker) bij de gewervelde dieren; insect (vleesvlieg), ringworm (regenworm), holtedier (kwal) bij de ongewervelde dieren]. 5. Het vetgehalte Zowel bij dieren als bij planten is het watergehalte lager als het vetgehalte hoger ligt. Bv. mager rundvlees bevat 74 % water en vet rundvlees 58 %; gerst (niet vet) bevat 21 % water en aardnoot (vet) 6 %). Regel: Hoe hoger het vetgehalte, hoe lager het watergehalte. Verklaring: Vet is hydrofoob. In een cel kruipen de vetmoleculen bij elkaar in een vetvacuole. De vetcellen vormen tezamen het vetweefsel onder de huid en rond de organen. De vetcel celmembraan  vetvacuole Biochemische moleculen5.2 SJB 5 III. Droge stof III.1 De As Als je de droge massa in aanwezigheid van lucht gedurende enkele uren bij een temperatuur van 450°C in een oven verhit, dan gaan de organische verbindingen over in vluchtige verbrandingsproducten. De niet – vluchtige verbrandingsproducten blijven als as over. De overblijvende as bestaat uit anorganische stoffen; zouten en oxiden. Deze anorganische verbindingen komen in de organismen en hun cellen in opgeloste toestand voor; we mogen dus ook spreken van ionen. Ionen die in grote hoeveelheden voorkomen = mineralen Calcium Magnesium Kalium Natrium Chloor Ammonium Voorbeeld Calcium: Ca 2+ Vervult een functie in: spierwerking opbouw botweefsel zenuwwerking bloedstolling Een mineraal heeft meerdere functies.  Ionen die in geringe hoeveelheden voorkomen = spore – elementen: Ijzer Koper Zink Jood Mangaan Fluor Silicium Voorbeelden: Ijzer: Fe 2+ : nodig voor de aanmaak van haemoglobine in de rode bloedlichaampjes, dit voor zuurstoftransport Fluor; F -: nodig voor de opbouw van de tanden Jood: I -: nodig voor de aanmaak van het schildklierhormoon. Een spore – element heeft maar één functie. Biochemische moleculen5.2 SJB 6 III.2 De organische verbindingen Het verschil tussen de droge massa en de massa as komt overeen met de massa van de organische verbindingen. 1. De sachariden = suikers of koolhydraten Ze zijn opgebouwd uit koolstof, waterstof en zuurstof. 1.1 Monosachariden = Enkelvoudige suikers Dit zijn organische moleculen met: - minstens 2 hydroxylgroepen - een aldehydegroep of een ketongroep De carbonylgroep verdwijnt bij suikers met een ringstructuur. Voor monosachariden geldt de algemene formule: CnH2nOn waarbij 3 ≤ n ≤ 7 Monosachariden halen we uit groenten, fruit, melkproducten, snoep en frisdranken. 1. Glucose of druivensuiker. Het komt voor in het bloed en in vele planten. Het is de belangrijkste bouwsteen van polysachariden. Brutoformule: C6H12O6 Structuurformule Notatie: 2. Fructose of rietsuiker Brutoformule: C6H12O6 Structuurformule Notatie: Biochemische moleculen5.2 SJB 7 1.2 Disachariden Deze suikers bestaan uit 2 aan elkaar gekoppelde monosachariden. 1. Maltose of moutsuiker Brutoformule: C12H22O11 Reactie: C6H12O + C6H12O C12H22O11 + H2O 2. Sucrose of bietsuiker Brutoformule: C12H22O11 Reactie: C6H12O + C6H12O C12H22O11 + H2O 3. Lactose of melksuiker Brutoformule: C12H22O11 Reactie: C6H12O + C6H12O C12H22O11 + H2O Biochemische moleculen5.2 SJB 8 1.3 Polysachariden 1. Zetmeel Zetmeel is een boomvormig vertakt macromolecule, opgebouwd uit 4000 aaneengeschakelde glucosemoleculen. Het komt voor in het cytoplasma en/of in de chloroplasten van plantencellen als reservesuiker. We halen zetmeel uit brood, fruit en aardappelen. Schematische voorstelling: 2. Cellulose Cellulose is een onvertakt macromolecule, opgebouwd uit lineair aaneengeschakelde glucosemoleculen. Deze celluloseketens groeperen zich tot vezels. Cellulose is een structureel suiker; het is de belangrijkste component van de celwand. Het komt voor in grassen, papier, karton,… Schematische voorstelling: Biochemische moleculen5.2 SJB 9 3. Glycogeen Glycogeen is een zeer sterk vertakt macromolecule, opgebouwd uit 40 000 aaneengeschakelde glucosemoleculen. Het is het reservesuiker van dieren. Glycogeen ligt opgeslagen in de lever en in de spieren. Schematische voorstelling: 2. De proteïnen = Eiwitten Ze zijn opgebouwd uit koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof (soms ook zwavel). Eiwitten treffen we voornamelijk aan in mager vlees, vis, kaas, peulvruchten en wit van eieren. Proteïnen zijn lange ketens van aminozuren met een bepaalde ruimtelijke structuur. De bouwstenen van proteïnen zijn dus de aminozuren. Aminozuren zijn koolstofverbindingen met een: - carboxylgroep: -COOH - aminogroep: -NH2 Algemene structuur van een aminozuur: In de natuur komen 20 verschillende soorten aminozuren voor. Deze hebben allen een verschillende R-groep. Biochemische moleculen5.2 SJB 10 De aminozuren kunnen aan elkaar geschakeld worden, er ontstaan dan peptiden. Vorming van een dipeptide: Een tripeptide bestaat uit 3 aminozuren. Een tetrapeptide bestaat uit 4 aminozuren. Een polypeptide bestaat uit veel aminozuren. Een polypeptide kan zich opvouwen, oprollen in de ruimte zodat het een specifieke vorm krijgt. We spreken nu van een proteïne. Er bestaan veel meer proteïnen dan aminozuren omdat in de aminozuurketen de aard, het aantal en de volgorde van de aminozuren kan verschillen. Functies van proteïnen: - Katalytische: Dit zijn de enzymen. Enzymen verhogen de snelheid van één reactie - Regulatorische: Sommige hormonen behoren tot deze categorie. Hormonen kunnen zowel activeren als inhiberen en dit op verschillende reacties en organen. Bv.: Insuline - Structurele: Sommige proteïnen dienen als structuurelement voor de opbouw van celcomponenten. Bv.: Keratine in de huid, nagels en haren - Transport: Haemoglobine staat in voor het zuurstoftransport. - Beschermende: Dit zijn o.a. de antibodies in het bloed die zorgen voor afweerreacties Biochemische moleculen5.2 SJB 11 3. De lipiden = Vetten Ze zijn opgebouwd uit koolstof, waterstof en zuurstof maar in een andere verhouding dan bij sachariden. We halen de vetten vooral uit boter, melk, vlees, plantaardige oliën en eierdooier. Vetmoleculen hebben een reservefunctie; ze kunnen gebruikt worden als brandstof, dus voor energieproductie. Vetten worden bovendien gestockeerd in vetcellen die een beschermende laag vormen onder het oppervlak van vele organismen en rond de organen. Op deze manier krijgen ze een beschermende en isolerende functie. 3.1 De neutrale lipiden of triglyceriden Een triglyceride is opgebouwd uit 1 molecule glycerol en 3 moleculen vetzuur. Deze vetzuren kunnen verzadigd (met enkelvoudige bindingen tussen de koolstofatomen) of onverzadigd (met minstens één dubbele bindingen tussen de koolstofatomen) zijn. Vorming van een triglyceride: Dieren: Vetten Planten: Oliën Verzadigde vetzuren Onverzadigde vetzuren Hoog smeltpunt Lager smeltpunt Dichte stapeling Losse stapeling Biochemische moleculen5.2 SJB 12 3.2 De fosfolipiden Fosfolipiden zijn opgebouwd uit glycerol, twee vetzuren en een fosfaatgroep. Vorming van een fosfolipide: samenstellende moleculen zie celmembraan Reactievergelijking: Glycerol + 2 vetzuren + waterstoffosfaat fosfolipide + water HO CH2OH + HOOC-(CH2)n-CH3 H-C-O-C-(CH2)n-CH3 O CHOH + HOOC-(CH2)n-CH3 H-C-O-C-(CH2)n-CH3 + 3 H2O O CH2OH + H3PO4 H-C-O-P-O-H HO H Fosfolipiden zijn amfipatische verbindingen; ze hebben een apolair en een polair uiteinde. Deze fosfolipiden gaan zich in water spontaan organiseren in dubbellagen. In de fosfolipidedubbellaag steken de apolaire vetzuurstaarten naar binnen in de dubbellaag en de polaire groepen steken naar buiten. Dergelijke dubbellagen van fosfolipiden vormen de basis van een membraan. 3.3 Steroïden Cholesterol: Vetachtige stof zonder vetzuren. Het wordt via de voeding opgenomen maar kan ook aangemaakt worden door de lever. Cholesterol is een levensnoodzakelijke stof maar een teveel kan leiden tot het dichtslibben van bloedvaten. Cholesterol is nodig voor de aanmaak van diverse hormonen; bv. testosteron. Biochemische moleculen5.2 SJB