Biochemie
HOOFDSTUK 1: IN ONTZAG VOOR HET LEVEN (INLEIDING)
1. Het leven in een notendop
Biochemie = tak van de wetenschap die het mogelijk maakt om het leven op moleculair en cellulair
niveau te bestuderen
Tree of life = alle versch organismes die bestaan → virussen worden niet als levend beschouwd.
Levende organismen hebben een cellulair bestaan → grote organismen zijn opgebouwd uit cellen →
gelijkenis met eencelligen.
Leven heeft een moleculair ontwerp = biochemie → vanuit biomoleculen kan je niet afleiden uit welk
organisme ze komen
De fundamentele bouwstenen van het Leven (cellen, moleculen) worden allemaal gebruikt
binnen een gemeenschappelijk biochemisch kader.
Waar komen de eerste organische moleculen vandaan? 2 hypotheses
1. Anorganische oorsprong: atmosfeer + stroomstoot (UV) = in vloeibare fase veel organische
molec
2. Buitenaardse oorsprong: cometen bevatten organische molec en zijn zo op aarde gekomen
Het eindresultaat was de creatie van een primordiale soep (= oplossing rijk aan organische
verbindingen) waaruit het leven vermoedelijk is ontstaan.
Organische verbindingen zijn gekarakteriseerd door hun functionele groepen!! (geeft de
fysiochemische eigenschappen aan de molecules)
Condensatiereacties
= vormen van
polymeren
(biomoleculen) door
biologische activiteit
van monomeren
1
,Vetachtige moleculen in de prim. soep vormden vesikels = biomolec in 1 plek → genesis van LUCA
(=Last Universal Common Ancestor) = eerste organisme waaruit later de prokaryoten (bacteria en
archaea) en de eukaryoten zijn ontstaan.
Anaerobische prokaryoten: Leven zonder zuurstof, hoge PH,… = extremofiel (leven in extreme
omstandigheden)
Chemotroof = voeden zich door chemische verbindingen. Chemoheterotroof = koolstof bron ≠ CO2
en haalt energie uit oxidatie (verbranding) van Anorganische verb,
Chemoautotroof= koolstofbron = CO2 en haalt energie uit oxidatie van ORGanische verb.
Fototrofen: halen energie uit licht → synthetiseren van verschillende moleculen adhv fotosynthese
(auto = co2 en hetero geen co2)
- Anoxygenisch: CO2 + H2S → (CH2O)n + S0
- Oxygenisch: CO2 + H2O → (CH2O)n + O2
Initiele zuurstof concentraties waren zeer laag → na verloop van tijd: zuurstof conc stijgt.
Anaeroben zijn gaan uitsterven want zuurstof = toxisch, aeroben konden zo wel beter ontwikkelen
→ Toename van complexiteit en diversiteit
Hoe complexer een organisme = meer ‘’ opslagruimte ”nodig = meer DNA, eiwitten en metabolieten.
De cellen moeten dus groter worden → Nutrienten moeten cel binnenkomen adhv diffusie → cellen
groeien: SA/V ratio daalt = minder nutrienten kunnen binnen → oplossing = compartementatie van de
cel → 2 subpopulaties onstaan: bacteria (prebact) en archae (prearch) door fusie van dezen →
ontstaan unicellulaire eukaryoten → deze evolueerde via endosymbiose en selectieve druk tot
aerobe eukaryoten
Aerobe proteobacteria waren de basis voor mitochondriën en fotosynthetische cyanobacteria waren
basis voor chloroplasten.
Evolutie naar multicellulaire eukaryoten = clustering van unicel euk. Deze hebben cellulaire
differentiatie (structurele modificatie van de cel naargelang zijn functie). → complex organisme
ontstaat
Symbiose = heterospecifieke relatie tussen twee organismen die samen, in of op
elkaar leven
Forese = relatie met transportdoeleinden (geen fysiologische of biochemische
afhankelijkheid)
Commensalisme = de ene symbiont heeft er voordeel aan en de ander is neutraal
Mutualisme = beide symbionten hebben er voordeel aan
Parasitisme = de ene symbiont heeft er voordeel aan en de ander wordt benadeeld
Geen symbiose
2. Thermodynamica van het leven
Levend organisme = systeem → Alles buiten het systeem = omgeving en te samen = universum
Verschillende types systemen op basis van uitwisseling met de omgeving
• Geisoleerd systeem: geen interactie van materie of energie met omgeving
• Gesloten systeem: wissellt energie uit, maar geen materie
• Open systeem: wisselt energie & materie uit met de omgeving = biologische systemen, want
Nemen materie op, geven materie terug aan de omgeving en geven warmte af aan de
omgeving (energie)
2
,1ste wet van de thermodynamica: bij de uitwisseling van energie kan energie omgezet worden in
andere vormen, maar zal nooit verloren gaan →Totale energie van universum moet constant blijven
Enthalpie H= de interne energie (warmte) van een systeem → verschil in enthalpie door uitwisseling
van energie met de omgeving
2de wet van de thermodynamica = totale entropie van het universum moet toenemen → systeem:
orde, dus omgeving moet hogere entropie hebben
Entropie S = de wanorde van een systeem → verschil in entropie door uitwisseling van energie met
de omgeving → ΔSomgeving = - ΔH systeem / T (in J/mol.K)
- Exotherm = energie (warmte) wordt vrijgegeven aan de omgeving, ΔHsysteem < 0, ΔSomgeving > 0
- Endotherm = energie (warmte) wordt opgenomen uit de omgeving, ΔHsysteem > 0, ΔSomgeving < 0
Gibbs vrije energie = ΔG = maat voor verandering in enthalpie en entropie van een systeem → bepaalt
de spontaniteit van een proces→ ΔG = ΔHsysteem - T . ΔSsysteem
- ΔG < 0 = Exergonisch = spontane reactie = toename entropie uniersum (geen extra ATP nodig)
→ meer productvorming
- ΔG > 0 = Endergonisch = niet-spontane reactie (ATP insteken) → meer reagentia vorming
- ΔG = 0 = evenwicht tussen productvorming en reagentiavorming
Koppelen van delta G aan de processen die voorkomen in de cel → aA + bB cC + dD
ΔG = ΔG’ + R . T . ln (Q) ( met Q= [C]c · [D]d / [A]a · [B]b = effectieve conc. vd moleculen in de cel )
Biologische processen kunnen worden gekoppeld. ΔG van het totale, gecombineerde proces = som
van de ΔG’s (aparte). → Deze proccesen zijn mogelijk zolang het gecombineerde proces
exergonisch is (ΔG < 0)!
ΔG’= standaard Gibbs vrije energieverandering = ΔG bij evenwicht =
constante (ΔG= veranderlijk)
reactie bij standaard omstandigheden (constante getabuleerde waardes)
zegt NIETS over spontaniteit van de reactie, zegt alleen iets over de
neiging (thermodynamica) van een reactie en niet over de snelheid
(kinetica)!
Evenwicht = wanneer de voorwaartse en achterwaartse reactiesnelheden gelijk → geen netto
verandering meer optreedt in reagentia en producten (ΔG = 0)
indien organisme bij evenwicht → Er is geen drijvende kracht om macromoleculen samen te
houden = desintegreren = organisme sterft
Homeostase = behouden van een dynamisch stabiele toestand door regulerende mechanismen dat
compenseren voor veranderingen in externe omstandigheden → er is een netto verandering in
reagentia en producten (ΔG 0) = een Onevenwicht → creeren wanorde in de omgeving terwijl ze
zich organiseren → entropie in de cel daalt = gecompenseerd door enorme entropische toename
regelen adhv katabolische en anabolische pathways
- Katabolisme = energie van versch bronnen gebruiken → reducerend, dus afbreken van
moleculen (= exergonisch = energie komt vrij)
- Anabolisme = vrijgekomen energie gebruiken om verschillende bouwstenen te kunnen
maken (=endergonisch) → input-output = in evenwicht
In evenwicht = geen katabolisme en anabolisme → biologisch systeem leeft niet → wel homeostase
3
, 3. De chemie van het leven
Eigenschappen van water (H2O) = belangrijk voor de evolutie van het leven → Veel moleculen zien
eruit hoe ze er uit zien dankzij hun vele interacties met water → Feit dat water vloeibaar is =
essentieel voor het leven (gas te gedesorganiseerd, vast= te georganiseerd)
Water = 2 H en 1 O, covalent gebonden → Sp3 met bindingshoek van 104.5° (repulsie van LP van O)
Water heeft 2 dipoolmomenten → O is meer EN dan H en zal dus harder trekken aan de e in de
sigma-bindingen (O-H) → H is partieel positief geladen en O is partieel negatief
→ Resultaat: elektrostatische interactie tussen de watermoleculen = waterstofbruggen = NIET-COV
INTERACTIE
→ Dankzij-H bruggen: hoge kook en smeltpunten van water → smelten + verdampen = spontaan →
Veel wanorde in systeem
• Vaste fase = H-bruggen tussen 4 watermoleculen = hexagonische vorm
• Vloeibare fase = met 3,4 andere moleculen → “dansen” met elkaar = graag blijven interageren
• In gas = te ver van elkaar dus geen waterstofbruggen
Water = polair → hydrofiel zal makkelijk oplossen (gevuld met polaire groepen) en niet makkelijk
hydrofobe moleculen oplossen (apolair) → Polariteit bepaalt of bep. processen in de cel doorgaan
Water kan ioniseren = vormen hydronium ionen → ionproduct van water Kw = [H3O+].[OH-] = 10-14 M
• [H3O+] = [OH-] = 10-7 M → puur water: pH = neutraal = 7
• pH = - log [H3O+], pOH = - log [OH-]
→ meeste organismes leven bij neutrale pH’s (~7.4) → buffers zijn nodig (zwakke zuren
en basen)
Ionisatie van water= basis voor zijn elektrische conductiviteit = H3O+ migreert naar
kathode (neg) en OH- naar anode (pos)
Beweging van de ionen = proton hopping → protonen springen van watermolecule naar
watermolecule → snelle netto beweging over lange afstanden in een opl
Hydroxide doet hetzelfde, maar in de tegengestelde richting
De meest belangrijke elementen = bulk elementen → zorgen voor 99% van de massa van cellen →
Koolstof (C)= centraal in de chemie → Functionele groepen (zie eerder), elektronegativiteit,
resonantie, reactiemechanismes,…
De meeste biomoleculen = ] derivaten van koolwaterstoffen, waarbij waterstofatomen worden
vervangen door verschillende functionele groepen (met specifieke fysico-chemische eig.)
Stereochemie = belangrijk, want interacties tussen biomoleculen zijn stereospecifiek
Trace elements = andere = kleine fractie, maar essentieel voor het leven (vb. functie van proteines)
Geconjugeerd zuur-base paar = zuur en geconjugeerde base
HA + H2O H3O+ + A- → hieruit kan je de Ka = zuurconstante halen (of basisiteitsconstante Kb)
Deze kan verder worden omgezet
naar de Henderson-Hassebalch
vergelijking
4
HOOFDSTUK 1: IN ONTZAG VOOR HET LEVEN (INLEIDING)
1. Het leven in een notendop
Biochemie = tak van de wetenschap die het mogelijk maakt om het leven op moleculair en cellulair
niveau te bestuderen
Tree of life = alle versch organismes die bestaan → virussen worden niet als levend beschouwd.
Levende organismen hebben een cellulair bestaan → grote organismen zijn opgebouwd uit cellen →
gelijkenis met eencelligen.
Leven heeft een moleculair ontwerp = biochemie → vanuit biomoleculen kan je niet afleiden uit welk
organisme ze komen
De fundamentele bouwstenen van het Leven (cellen, moleculen) worden allemaal gebruikt
binnen een gemeenschappelijk biochemisch kader.
Waar komen de eerste organische moleculen vandaan? 2 hypotheses
1. Anorganische oorsprong: atmosfeer + stroomstoot (UV) = in vloeibare fase veel organische
molec
2. Buitenaardse oorsprong: cometen bevatten organische molec en zijn zo op aarde gekomen
Het eindresultaat was de creatie van een primordiale soep (= oplossing rijk aan organische
verbindingen) waaruit het leven vermoedelijk is ontstaan.
Organische verbindingen zijn gekarakteriseerd door hun functionele groepen!! (geeft de
fysiochemische eigenschappen aan de molecules)
Condensatiereacties
= vormen van
polymeren
(biomoleculen) door
biologische activiteit
van monomeren
1
,Vetachtige moleculen in de prim. soep vormden vesikels = biomolec in 1 plek → genesis van LUCA
(=Last Universal Common Ancestor) = eerste organisme waaruit later de prokaryoten (bacteria en
archaea) en de eukaryoten zijn ontstaan.
Anaerobische prokaryoten: Leven zonder zuurstof, hoge PH,… = extremofiel (leven in extreme
omstandigheden)
Chemotroof = voeden zich door chemische verbindingen. Chemoheterotroof = koolstof bron ≠ CO2
en haalt energie uit oxidatie (verbranding) van Anorganische verb,
Chemoautotroof= koolstofbron = CO2 en haalt energie uit oxidatie van ORGanische verb.
Fototrofen: halen energie uit licht → synthetiseren van verschillende moleculen adhv fotosynthese
(auto = co2 en hetero geen co2)
- Anoxygenisch: CO2 + H2S → (CH2O)n + S0
- Oxygenisch: CO2 + H2O → (CH2O)n + O2
Initiele zuurstof concentraties waren zeer laag → na verloop van tijd: zuurstof conc stijgt.
Anaeroben zijn gaan uitsterven want zuurstof = toxisch, aeroben konden zo wel beter ontwikkelen
→ Toename van complexiteit en diversiteit
Hoe complexer een organisme = meer ‘’ opslagruimte ”nodig = meer DNA, eiwitten en metabolieten.
De cellen moeten dus groter worden → Nutrienten moeten cel binnenkomen adhv diffusie → cellen
groeien: SA/V ratio daalt = minder nutrienten kunnen binnen → oplossing = compartementatie van de
cel → 2 subpopulaties onstaan: bacteria (prebact) en archae (prearch) door fusie van dezen →
ontstaan unicellulaire eukaryoten → deze evolueerde via endosymbiose en selectieve druk tot
aerobe eukaryoten
Aerobe proteobacteria waren de basis voor mitochondriën en fotosynthetische cyanobacteria waren
basis voor chloroplasten.
Evolutie naar multicellulaire eukaryoten = clustering van unicel euk. Deze hebben cellulaire
differentiatie (structurele modificatie van de cel naargelang zijn functie). → complex organisme
ontstaat
Symbiose = heterospecifieke relatie tussen twee organismen die samen, in of op
elkaar leven
Forese = relatie met transportdoeleinden (geen fysiologische of biochemische
afhankelijkheid)
Commensalisme = de ene symbiont heeft er voordeel aan en de ander is neutraal
Mutualisme = beide symbionten hebben er voordeel aan
Parasitisme = de ene symbiont heeft er voordeel aan en de ander wordt benadeeld
Geen symbiose
2. Thermodynamica van het leven
Levend organisme = systeem → Alles buiten het systeem = omgeving en te samen = universum
Verschillende types systemen op basis van uitwisseling met de omgeving
• Geisoleerd systeem: geen interactie van materie of energie met omgeving
• Gesloten systeem: wissellt energie uit, maar geen materie
• Open systeem: wisselt energie & materie uit met de omgeving = biologische systemen, want
Nemen materie op, geven materie terug aan de omgeving en geven warmte af aan de
omgeving (energie)
2
,1ste wet van de thermodynamica: bij de uitwisseling van energie kan energie omgezet worden in
andere vormen, maar zal nooit verloren gaan →Totale energie van universum moet constant blijven
Enthalpie H= de interne energie (warmte) van een systeem → verschil in enthalpie door uitwisseling
van energie met de omgeving
2de wet van de thermodynamica = totale entropie van het universum moet toenemen → systeem:
orde, dus omgeving moet hogere entropie hebben
Entropie S = de wanorde van een systeem → verschil in entropie door uitwisseling van energie met
de omgeving → ΔSomgeving = - ΔH systeem / T (in J/mol.K)
- Exotherm = energie (warmte) wordt vrijgegeven aan de omgeving, ΔHsysteem < 0, ΔSomgeving > 0
- Endotherm = energie (warmte) wordt opgenomen uit de omgeving, ΔHsysteem > 0, ΔSomgeving < 0
Gibbs vrije energie = ΔG = maat voor verandering in enthalpie en entropie van een systeem → bepaalt
de spontaniteit van een proces→ ΔG = ΔHsysteem - T . ΔSsysteem
- ΔG < 0 = Exergonisch = spontane reactie = toename entropie uniersum (geen extra ATP nodig)
→ meer productvorming
- ΔG > 0 = Endergonisch = niet-spontane reactie (ATP insteken) → meer reagentia vorming
- ΔG = 0 = evenwicht tussen productvorming en reagentiavorming
Koppelen van delta G aan de processen die voorkomen in de cel → aA + bB cC + dD
ΔG = ΔG’ + R . T . ln (Q) ( met Q= [C]c · [D]d / [A]a · [B]b = effectieve conc. vd moleculen in de cel )
Biologische processen kunnen worden gekoppeld. ΔG van het totale, gecombineerde proces = som
van de ΔG’s (aparte). → Deze proccesen zijn mogelijk zolang het gecombineerde proces
exergonisch is (ΔG < 0)!
ΔG’= standaard Gibbs vrije energieverandering = ΔG bij evenwicht =
constante (ΔG= veranderlijk)
reactie bij standaard omstandigheden (constante getabuleerde waardes)
zegt NIETS over spontaniteit van de reactie, zegt alleen iets over de
neiging (thermodynamica) van een reactie en niet over de snelheid
(kinetica)!
Evenwicht = wanneer de voorwaartse en achterwaartse reactiesnelheden gelijk → geen netto
verandering meer optreedt in reagentia en producten (ΔG = 0)
indien organisme bij evenwicht → Er is geen drijvende kracht om macromoleculen samen te
houden = desintegreren = organisme sterft
Homeostase = behouden van een dynamisch stabiele toestand door regulerende mechanismen dat
compenseren voor veranderingen in externe omstandigheden → er is een netto verandering in
reagentia en producten (ΔG 0) = een Onevenwicht → creeren wanorde in de omgeving terwijl ze
zich organiseren → entropie in de cel daalt = gecompenseerd door enorme entropische toename
regelen adhv katabolische en anabolische pathways
- Katabolisme = energie van versch bronnen gebruiken → reducerend, dus afbreken van
moleculen (= exergonisch = energie komt vrij)
- Anabolisme = vrijgekomen energie gebruiken om verschillende bouwstenen te kunnen
maken (=endergonisch) → input-output = in evenwicht
In evenwicht = geen katabolisme en anabolisme → biologisch systeem leeft niet → wel homeostase
3
, 3. De chemie van het leven
Eigenschappen van water (H2O) = belangrijk voor de evolutie van het leven → Veel moleculen zien
eruit hoe ze er uit zien dankzij hun vele interacties met water → Feit dat water vloeibaar is =
essentieel voor het leven (gas te gedesorganiseerd, vast= te georganiseerd)
Water = 2 H en 1 O, covalent gebonden → Sp3 met bindingshoek van 104.5° (repulsie van LP van O)
Water heeft 2 dipoolmomenten → O is meer EN dan H en zal dus harder trekken aan de e in de
sigma-bindingen (O-H) → H is partieel positief geladen en O is partieel negatief
→ Resultaat: elektrostatische interactie tussen de watermoleculen = waterstofbruggen = NIET-COV
INTERACTIE
→ Dankzij-H bruggen: hoge kook en smeltpunten van water → smelten + verdampen = spontaan →
Veel wanorde in systeem
• Vaste fase = H-bruggen tussen 4 watermoleculen = hexagonische vorm
• Vloeibare fase = met 3,4 andere moleculen → “dansen” met elkaar = graag blijven interageren
• In gas = te ver van elkaar dus geen waterstofbruggen
Water = polair → hydrofiel zal makkelijk oplossen (gevuld met polaire groepen) en niet makkelijk
hydrofobe moleculen oplossen (apolair) → Polariteit bepaalt of bep. processen in de cel doorgaan
Water kan ioniseren = vormen hydronium ionen → ionproduct van water Kw = [H3O+].[OH-] = 10-14 M
• [H3O+] = [OH-] = 10-7 M → puur water: pH = neutraal = 7
• pH = - log [H3O+], pOH = - log [OH-]
→ meeste organismes leven bij neutrale pH’s (~7.4) → buffers zijn nodig (zwakke zuren
en basen)
Ionisatie van water= basis voor zijn elektrische conductiviteit = H3O+ migreert naar
kathode (neg) en OH- naar anode (pos)
Beweging van de ionen = proton hopping → protonen springen van watermolecule naar
watermolecule → snelle netto beweging over lange afstanden in een opl
Hydroxide doet hetzelfde, maar in de tegengestelde richting
De meest belangrijke elementen = bulk elementen → zorgen voor 99% van de massa van cellen →
Koolstof (C)= centraal in de chemie → Functionele groepen (zie eerder), elektronegativiteit,
resonantie, reactiemechanismes,…
De meeste biomoleculen = ] derivaten van koolwaterstoffen, waarbij waterstofatomen worden
vervangen door verschillende functionele groepen (met specifieke fysico-chemische eig.)
Stereochemie = belangrijk, want interacties tussen biomoleculen zijn stereospecifiek
Trace elements = andere = kleine fractie, maar essentieel voor het leven (vb. functie van proteines)
Geconjugeerd zuur-base paar = zuur en geconjugeerde base
HA + H2O H3O+ + A- → hieruit kan je de Ka = zuurconstante halen (of basisiteitsconstante Kb)
Deze kan verder worden omgezet
naar de Henderson-Hassebalch
vergelijking
4
