H1. De zwakke krachten en hun rol in de biochemie
Biochemische processen komen tot stand door transiënte of permanente interacties tussen
moleculen (eiwitten, lipiden, metabolieten,…).
Deze bindingen worden veroorzaakt niet-covalente associaties tussen delen (atomen of functionele
groepen) van de interagerende moleculen.
Er bestaan verschillende types van zwakke interacties:
Watersstofbrugvorming
Ionaire of elektrotonische binding
Het hydrofobe effect
Van-der-Waals-interactie
De eerste drie interacties worden beïnvloed door naburige watermoleculen.
1.1. Watermoleculen vormen een netwerk via waterstofbruggen
Water is niet alleen een oplosmiddel maar ook een reagens of een product bij stofwisseling
o In dit hoofdstuk is water = oplosmiddel
Door grotere EN van het zuurstofatoom, zuigt dit de gemeenschappelijke elektronenparen
van de covalente bindingen met de waterstofatomen naar zich toe.
Watermolecule = polaire structuur door geometrie
o Er ontstaat dipoolmoment
o Hierbij is het zuurstofatoom partieel negatief geladen en de twee waterstofatomen
partieel positief geladen.
Door de partiele ladingen van de watermoleculen, gaan ze zodanig oriënteren dat het vrije
elektronenpaar van een zuurstofatoom zich richt naar een waterstofatoom van een naburige
watermolecule.
o Deze zwakke interactie = waterstofbrug
o Er worden hier dus geen elektronen gedeeld.
o Energie H-brug = 5 kcal/mol (is zeer gering t.o.v. de covalente binding O-H
= 110 kcal/mol)
o De afstand bij H-bruggen bij watermoleculen = 2,7 Å (afstand O-H = 1,2 Å)
Omdat de waterstofbruggen tussen de watermoleculen steeds uitwisselen, ontstaat er een
dynamisch effect.
o Dit verklaart de hoge kooktemperatuur van water.
,1.2. Waterstofbruggen ontstaan ook tussen biomoleculen met de
geschikte functionele groepen
Waterstofbrugvorming = mogelijk tussen watermoleculen en ook watermoleculen en andere
moleculen waarbij de functionele groep geschikt is om te binden met het waterstofatoom
(atomen met een EN karakter):
o Alcohol (OH)-groep
o Amino (NH2)-groep
o Carbonyl (C=O)-groep
o Amide (NCO)-groep
Dit zorgt voor goede oplosbaarheid van deze moleculen in water
o Moleculen = hydrofiel
Als we een amino- en alcoholgroep beschouwen, dan beschikken beide over
waterstofatomen en een vrije elektronenpaar.
o Afhankelijk van de situatie kunnen ze een waterstofatoom richten (waterstofbrug)
naar het vrije elektronenpaar van een naburige molecule, die een waterstofacceptor
is.
De sterkte van een waterstofbrug bij deze groepen is afhankelijk van de positie van de
deelnemende atomen
o Lineaire waterstoffen = het sterkste
, 1.3. De ionaire binding
Wanneer het verschil in EN groot is, kan het elektronenpaar in de
waterstofbrugdonormolecule effectief naar het meest En atoom overgaan.
o Hierdoor ontstaat er een negatief geladen groep = anion
o Het ontstane proton =atoom met vorming van positieve lading = kation
Wanneer anion en kation in elkaars buurt zijn, oefenen de twee ladingen een kracht uit
gegeven door de wet van Coulomb
o In tegenstelling tot covalente bindingen en waterstofbruggen zijn elektrostatische
interacties onafhankelijk van richting
o De aantrekkingskracht wordt beïnvloedt door omgevingsfactoren:
diëlektriciteitsconstante (D)
Water = 80D
Vacuüm = 1D
o In water zal de aantrekkingskracht worden afgezwakt (gem. 8kcal/mol)
Water zal door zijn dipoolkarakter ionen goed oplossen. Daarbij oriënteren de partiële
negatieve ladingen zich naar de positieve ladingen van bv. metaalionen waardoor ze een
watermantel krijgen.
o Hierbij komt energie vrij = hydratatie-energie
Biochemische processen komen tot stand door transiënte of permanente interacties tussen
moleculen (eiwitten, lipiden, metabolieten,…).
Deze bindingen worden veroorzaakt niet-covalente associaties tussen delen (atomen of functionele
groepen) van de interagerende moleculen.
Er bestaan verschillende types van zwakke interacties:
Watersstofbrugvorming
Ionaire of elektrotonische binding
Het hydrofobe effect
Van-der-Waals-interactie
De eerste drie interacties worden beïnvloed door naburige watermoleculen.
1.1. Watermoleculen vormen een netwerk via waterstofbruggen
Water is niet alleen een oplosmiddel maar ook een reagens of een product bij stofwisseling
o In dit hoofdstuk is water = oplosmiddel
Door grotere EN van het zuurstofatoom, zuigt dit de gemeenschappelijke elektronenparen
van de covalente bindingen met de waterstofatomen naar zich toe.
Watermolecule = polaire structuur door geometrie
o Er ontstaat dipoolmoment
o Hierbij is het zuurstofatoom partieel negatief geladen en de twee waterstofatomen
partieel positief geladen.
Door de partiele ladingen van de watermoleculen, gaan ze zodanig oriënteren dat het vrije
elektronenpaar van een zuurstofatoom zich richt naar een waterstofatoom van een naburige
watermolecule.
o Deze zwakke interactie = waterstofbrug
o Er worden hier dus geen elektronen gedeeld.
o Energie H-brug = 5 kcal/mol (is zeer gering t.o.v. de covalente binding O-H
= 110 kcal/mol)
o De afstand bij H-bruggen bij watermoleculen = 2,7 Å (afstand O-H = 1,2 Å)
Omdat de waterstofbruggen tussen de watermoleculen steeds uitwisselen, ontstaat er een
dynamisch effect.
o Dit verklaart de hoge kooktemperatuur van water.
,1.2. Waterstofbruggen ontstaan ook tussen biomoleculen met de
geschikte functionele groepen
Waterstofbrugvorming = mogelijk tussen watermoleculen en ook watermoleculen en andere
moleculen waarbij de functionele groep geschikt is om te binden met het waterstofatoom
(atomen met een EN karakter):
o Alcohol (OH)-groep
o Amino (NH2)-groep
o Carbonyl (C=O)-groep
o Amide (NCO)-groep
Dit zorgt voor goede oplosbaarheid van deze moleculen in water
o Moleculen = hydrofiel
Als we een amino- en alcoholgroep beschouwen, dan beschikken beide over
waterstofatomen en een vrije elektronenpaar.
o Afhankelijk van de situatie kunnen ze een waterstofatoom richten (waterstofbrug)
naar het vrije elektronenpaar van een naburige molecule, die een waterstofacceptor
is.
De sterkte van een waterstofbrug bij deze groepen is afhankelijk van de positie van de
deelnemende atomen
o Lineaire waterstoffen = het sterkste
, 1.3. De ionaire binding
Wanneer het verschil in EN groot is, kan het elektronenpaar in de
waterstofbrugdonormolecule effectief naar het meest En atoom overgaan.
o Hierdoor ontstaat er een negatief geladen groep = anion
o Het ontstane proton =atoom met vorming van positieve lading = kation
Wanneer anion en kation in elkaars buurt zijn, oefenen de twee ladingen een kracht uit
gegeven door de wet van Coulomb
o In tegenstelling tot covalente bindingen en waterstofbruggen zijn elektrostatische
interacties onafhankelijk van richting
o De aantrekkingskracht wordt beïnvloedt door omgevingsfactoren:
diëlektriciteitsconstante (D)
Water = 80D
Vacuüm = 1D
o In water zal de aantrekkingskracht worden afgezwakt (gem. 8kcal/mol)
Water zal door zijn dipoolkarakter ionen goed oplossen. Daarbij oriënteren de partiële
negatieve ladingen zich naar de positieve ladingen van bv. metaalionen waardoor ze een
watermantel krijgen.
o Hierbij komt energie vrij = hydratatie-energie
