Biomoleculen
1 Inleiding
• Menselijk lichaamsgewicht = 70% water
• C, H, O en N voornaamste bouwstenen → vormen covalente bindingen
• P: essenstiele rol in energiemetabolisme en structuur nucleïnezuren
• S: belangrijke component van eiwitten
• Ionen: noodzakelijk voor eiwitstructuur en katalytische werking van enzymen
• Metalen: sporadisch maar soms ook hele belangrijke functie! (Fe in hemoglobine)
• 1 A (angstrom) = 10-10 m
1.1 Covalente bindingen
= een binding waarbij de atomen elektronen gaan delen (gem tussen 330-400 kJ/mol)
Binding Structuur Voorkomen
Ether Membraanlipiden
Fosfaat ester Fosfo eiwitten
Fosfodiester Nucelïnezuren, fosfolipieden
Amide Polypeptiden
Thioester Acetyl-Co enzym A
Thioether Methione
Carboxyl ester Triglyceriden
1.2 Niet-covalente interacties
• Dipool
o Moleculen met ongelijke verdeling van ladingen
o Mogelijks permanent
o µ=qx met µ = dipoolmoment, q = lading, x = afstand
1
, • Van der Waals krachten
o Vaak voorkomend
o Minimum afstand waarop 2 atomen kunnen naderen
zonder dat ze elkaar afstoten = Van der Waals radius
• Waterstofbruggen
o Tussen elektronenpaar op sterk elektronegatief atoom
en naburig H-atoom dat zelf ook gebonden is aan sterk
elektronegatief atoom (O-H, N-H en F-H)
• Zoutbruggen
o Elektrostatische binding tussen 2 tegengesteld geladen
atomen
o Meest sterke niet-covalente binding
o Tussen atomen met zelfde lading → afstoting
• Hydrofobe interacties
o Bij groepen die geen interactie met water aangaan
1.2.1 Permanent geïnduceerde dipool interacties
Permanente dipolen
• Ongelijke verdeling van ladingen → polair
• Dipoolmoment is maat voor polariteit van moleculen: µ = q x
• Voorbeeld van permanente dipolen met netto lading 0: H2O en CO
Geïnduceerde dipolen
• Niet polaire moleculen zonder dipoolmoment kunnen dipolair worden in aanwezigheid van
Elektrisch veld
• Zo kunnen aromatische verbindingen makkelijk geïnduceerd worden omdat elektronen
gemakkelijk verplaatst kunnen worden
1.3 Belangrijke functionele groepen
Naam Functionele groep Voorkomen
Methylgroep -CH3 Lipiden
Ethylgroep -CH2-CH3 Lipiden
Methyleengroep -CH2- Lipiden
Hydroxylgroep -OH Bijna alle biomoleculen
Carbonylgroep Aminozuren, eiwitten, suikers,
vetten
Aldehyde Keto
Carboxylgroep Suikers
Primair amine -NH2 Eiwitten, lipiden
Secundair amine -NH- Eiwitten, nucleïnezuren
Tertiair amine Eiwitten
Sulfaatgroep Verschillende biomoleculen
Fosfaatgroep Nucleïnezuren
2
, Acylgroep Suikers
Hemiacetalgroep Cyclische vormen van
monosachariden
Acetalgroep disachariden
1.4 Eigenschappen van water
• Alle biomoleculen komen voor in een waterige omgeving → water heeft effect op hun vorm
• Water zorgt voor transport van (bio)moleculen naar/van de plaats van chemische reacties
• Water speelt actieve rol bij chemische processen
• Fotosynthese: oxidatie van water met vorming van zuurstof!
1.4.1 Fysische eigenschappen van water
Water is een polaire molecule:
• Polair
• Zuurstofatoom draagt partieel negatieve lading en beide waterstofatomen dragen partieel
positieve lading
• Resulterende intermoleculaire associatie is een waterstofbrug
• 1 watermolecule kan in maximum 4 waterstofbruggen betrokken zijn met andere
waterstofmoleculen
Structuur van ijs:
• Elke watermolecule is omgeven door 4 aanpalende watermoleculen die zoals een tetraëder
gerangschikt zijn → ‘open’ structuur gecreëerd → water zet uit als het bevriest
• Wanneer ijs smelt, wordt de strak tetraëdische oriëntatie van waterstofbrug gebonden
watermoleculen gebroken
• Vloeibaar water heeft 15% minder waterstofbruggen en toch grote impact
Hydrofiele moleculen lossen op in water
• Water is ideaal oplosmiddel
• Hydrofiel = polair, lost wel op
• Hydrofoob = apolair (zijn wel oplosbaar in niet-polaire solventen bv alcohol)
Hydrofobe effect zorgt ervoor dat polaire stoffen aggregeren in water
• De eigenschap van water om zijn contact met hydrofobe moleculen te minimaliseren is het
hydrofobe effect
• Amfipatische moleculen = hebben zowel polair als niet polair gedeelte = zijn simultaan
hydrofoob en hydrofiel
o In water zal het hydrofiele uiteinde gehydrateerd worden, terwijl het hydrofobe
gedeelte afgesloten zal worden van het water
o Vb: micellen die ontstaan wanneer duizende amfipatische moleculen zich ordenen
zodat hun hydrofiele groepen op het oppervlak in contact zijn met waterige
oplossing, hydrofobe in het centrum, weg van het water
o Kunnen ook de vorm van dubbellaag aannemen (zoals celmembraan)
1.4.2 Chemische eigenschappen van water
Ionisatie van water
H2O ↔ H+ + OH-
Het proton is geassocieerd met de watermoleculen als een hydronium ion H3O+
Het hydronium ion kan zeer snel van de ene op de andere watermolecule springen (proton jumping)
Dissociatie van water wordt beschreven door evenwichtconstante:
3
, [𝐻 + ][𝑂𝐻 − ]
Dissociatieconstante K = [𝐻2 𝑂]
Omdat concentratie van niet gedissocieerd water zoveel groter is dan die van de ionen, wordt dit als
een constante beschouwd → Kw = [𝐻 + ][𝑂𝐻 − ] met Kw = 10-14 (25°)
+]
pH = -log[𝐻
Zuren en basen hebben effect op de pH
• Een zure groep geeft een proton af, een base zal een proton accepteren
• HA + H2O ↔ H3O+ + A-
• Een zuur (HA) reageert met geconjugeerde base van het zuur (A-) en het geconjugeerde zuur
van de base (H3O+) HA ↔ H+ + A-
• Evenwichtsconstante van een zuur-base reactie = dissociatieconstante
• Henderson-Hasselbalch vergelijking, indien er zwakke zuren of basen aanwezig zijn:
[𝐴− ]
pH = pK + log [𝐻𝐴]
Effect van buffers op pH
• Metabole processen kunnen maar doorgaan in zeer nauwe pH regio
• Oplossing: buffers die ervoor zorgen dat de pH stabiel blijft binnen bepaalde grenzen
• Titratiecurves van zwak zuur met sterke base zijn niet lineair, worden experimenteel bepaald
of uit Henderson-Hasselbalch vergelijking
o Curves hebben dezelfde vorm maar liggen op verschillende plaats
o pH op middelste punt is gelijk aan pKa ([𝐻𝐴] = [𝐴− ])
o helling titratiecurve is lager in het midden → pH van de oplossing is redelijk
ongevoelig aan het toevoegen van base of zuur
• sommige producten verliezen meer dan 1 proton en ondergaan dus meer dan 1 ionisatie →
polyprotische zuren
Buffers in het bloed
• bicarbonaat
o CO2 + H2O ↔ H2CO3
o H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
• Afwijkingen kunnen leiden tot acidose (pH lager dan 7,1) of akalose (pH hoger dan 7,6)
2 Aminozuren en eiwitten
• 50% drooggewicht mens bestaat uit proteïne, “werkers” van het lichaam
Belangrijke functies:
• Katalyse: door enzymen worden reacties versneld
• Structuur: vorm en stevigheid (cytoskelet, collageen, elastine en andere
bindweefselproteïnen tussen de cellen)
• Beweging: contractiele apparaat bestaat uit filamenten van actine, myosine en
geassocieerde proteïnen
• Transport en opslag: meestal door de bloedbaan; bv transferrine vervoert ijzer, albumine
vervoert apolaire moleculen als bilirubine
• Intercellulaire communicatie: signaalmoleculen
• Intracellulaire communicatie: doorgeven van informatie van receptor tot dieper in cel →
signaaltransductie
• Immunologische afweer
4 mogelijke niveaus
• Primaire structuur: opeenvolging van aminozuren in eiwitketens in polypeptideketen
• Secundaire structuren: welke interacties maken ze met aangrenzende/ in de buurt liggende
aminozuren
4
1 Inleiding
• Menselijk lichaamsgewicht = 70% water
• C, H, O en N voornaamste bouwstenen → vormen covalente bindingen
• P: essenstiele rol in energiemetabolisme en structuur nucleïnezuren
• S: belangrijke component van eiwitten
• Ionen: noodzakelijk voor eiwitstructuur en katalytische werking van enzymen
• Metalen: sporadisch maar soms ook hele belangrijke functie! (Fe in hemoglobine)
• 1 A (angstrom) = 10-10 m
1.1 Covalente bindingen
= een binding waarbij de atomen elektronen gaan delen (gem tussen 330-400 kJ/mol)
Binding Structuur Voorkomen
Ether Membraanlipiden
Fosfaat ester Fosfo eiwitten
Fosfodiester Nucelïnezuren, fosfolipieden
Amide Polypeptiden
Thioester Acetyl-Co enzym A
Thioether Methione
Carboxyl ester Triglyceriden
1.2 Niet-covalente interacties
• Dipool
o Moleculen met ongelijke verdeling van ladingen
o Mogelijks permanent
o µ=qx met µ = dipoolmoment, q = lading, x = afstand
1
, • Van der Waals krachten
o Vaak voorkomend
o Minimum afstand waarop 2 atomen kunnen naderen
zonder dat ze elkaar afstoten = Van der Waals radius
• Waterstofbruggen
o Tussen elektronenpaar op sterk elektronegatief atoom
en naburig H-atoom dat zelf ook gebonden is aan sterk
elektronegatief atoom (O-H, N-H en F-H)
• Zoutbruggen
o Elektrostatische binding tussen 2 tegengesteld geladen
atomen
o Meest sterke niet-covalente binding
o Tussen atomen met zelfde lading → afstoting
• Hydrofobe interacties
o Bij groepen die geen interactie met water aangaan
1.2.1 Permanent geïnduceerde dipool interacties
Permanente dipolen
• Ongelijke verdeling van ladingen → polair
• Dipoolmoment is maat voor polariteit van moleculen: µ = q x
• Voorbeeld van permanente dipolen met netto lading 0: H2O en CO
Geïnduceerde dipolen
• Niet polaire moleculen zonder dipoolmoment kunnen dipolair worden in aanwezigheid van
Elektrisch veld
• Zo kunnen aromatische verbindingen makkelijk geïnduceerd worden omdat elektronen
gemakkelijk verplaatst kunnen worden
1.3 Belangrijke functionele groepen
Naam Functionele groep Voorkomen
Methylgroep -CH3 Lipiden
Ethylgroep -CH2-CH3 Lipiden
Methyleengroep -CH2- Lipiden
Hydroxylgroep -OH Bijna alle biomoleculen
Carbonylgroep Aminozuren, eiwitten, suikers,
vetten
Aldehyde Keto
Carboxylgroep Suikers
Primair amine -NH2 Eiwitten, lipiden
Secundair amine -NH- Eiwitten, nucleïnezuren
Tertiair amine Eiwitten
Sulfaatgroep Verschillende biomoleculen
Fosfaatgroep Nucleïnezuren
2
, Acylgroep Suikers
Hemiacetalgroep Cyclische vormen van
monosachariden
Acetalgroep disachariden
1.4 Eigenschappen van water
• Alle biomoleculen komen voor in een waterige omgeving → water heeft effect op hun vorm
• Water zorgt voor transport van (bio)moleculen naar/van de plaats van chemische reacties
• Water speelt actieve rol bij chemische processen
• Fotosynthese: oxidatie van water met vorming van zuurstof!
1.4.1 Fysische eigenschappen van water
Water is een polaire molecule:
• Polair
• Zuurstofatoom draagt partieel negatieve lading en beide waterstofatomen dragen partieel
positieve lading
• Resulterende intermoleculaire associatie is een waterstofbrug
• 1 watermolecule kan in maximum 4 waterstofbruggen betrokken zijn met andere
waterstofmoleculen
Structuur van ijs:
• Elke watermolecule is omgeven door 4 aanpalende watermoleculen die zoals een tetraëder
gerangschikt zijn → ‘open’ structuur gecreëerd → water zet uit als het bevriest
• Wanneer ijs smelt, wordt de strak tetraëdische oriëntatie van waterstofbrug gebonden
watermoleculen gebroken
• Vloeibaar water heeft 15% minder waterstofbruggen en toch grote impact
Hydrofiele moleculen lossen op in water
• Water is ideaal oplosmiddel
• Hydrofiel = polair, lost wel op
• Hydrofoob = apolair (zijn wel oplosbaar in niet-polaire solventen bv alcohol)
Hydrofobe effect zorgt ervoor dat polaire stoffen aggregeren in water
• De eigenschap van water om zijn contact met hydrofobe moleculen te minimaliseren is het
hydrofobe effect
• Amfipatische moleculen = hebben zowel polair als niet polair gedeelte = zijn simultaan
hydrofoob en hydrofiel
o In water zal het hydrofiele uiteinde gehydrateerd worden, terwijl het hydrofobe
gedeelte afgesloten zal worden van het water
o Vb: micellen die ontstaan wanneer duizende amfipatische moleculen zich ordenen
zodat hun hydrofiele groepen op het oppervlak in contact zijn met waterige
oplossing, hydrofobe in het centrum, weg van het water
o Kunnen ook de vorm van dubbellaag aannemen (zoals celmembraan)
1.4.2 Chemische eigenschappen van water
Ionisatie van water
H2O ↔ H+ + OH-
Het proton is geassocieerd met de watermoleculen als een hydronium ion H3O+
Het hydronium ion kan zeer snel van de ene op de andere watermolecule springen (proton jumping)
Dissociatie van water wordt beschreven door evenwichtconstante:
3
, [𝐻 + ][𝑂𝐻 − ]
Dissociatieconstante K = [𝐻2 𝑂]
Omdat concentratie van niet gedissocieerd water zoveel groter is dan die van de ionen, wordt dit als
een constante beschouwd → Kw = [𝐻 + ][𝑂𝐻 − ] met Kw = 10-14 (25°)
+]
pH = -log[𝐻
Zuren en basen hebben effect op de pH
• Een zure groep geeft een proton af, een base zal een proton accepteren
• HA + H2O ↔ H3O+ + A-
• Een zuur (HA) reageert met geconjugeerde base van het zuur (A-) en het geconjugeerde zuur
van de base (H3O+) HA ↔ H+ + A-
• Evenwichtsconstante van een zuur-base reactie = dissociatieconstante
• Henderson-Hasselbalch vergelijking, indien er zwakke zuren of basen aanwezig zijn:
[𝐴− ]
pH = pK + log [𝐻𝐴]
Effect van buffers op pH
• Metabole processen kunnen maar doorgaan in zeer nauwe pH regio
• Oplossing: buffers die ervoor zorgen dat de pH stabiel blijft binnen bepaalde grenzen
• Titratiecurves van zwak zuur met sterke base zijn niet lineair, worden experimenteel bepaald
of uit Henderson-Hasselbalch vergelijking
o Curves hebben dezelfde vorm maar liggen op verschillende plaats
o pH op middelste punt is gelijk aan pKa ([𝐻𝐴] = [𝐴− ])
o helling titratiecurve is lager in het midden → pH van de oplossing is redelijk
ongevoelig aan het toevoegen van base of zuur
• sommige producten verliezen meer dan 1 proton en ondergaan dus meer dan 1 ionisatie →
polyprotische zuren
Buffers in het bloed
• bicarbonaat
o CO2 + H2O ↔ H2CO3
o H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
• Afwijkingen kunnen leiden tot acidose (pH lager dan 7,1) of akalose (pH hoger dan 7,6)
2 Aminozuren en eiwitten
• 50% drooggewicht mens bestaat uit proteïne, “werkers” van het lichaam
Belangrijke functies:
• Katalyse: door enzymen worden reacties versneld
• Structuur: vorm en stevigheid (cytoskelet, collageen, elastine en andere
bindweefselproteïnen tussen de cellen)
• Beweging: contractiele apparaat bestaat uit filamenten van actine, myosine en
geassocieerde proteïnen
• Transport en opslag: meestal door de bloedbaan; bv transferrine vervoert ijzer, albumine
vervoert apolaire moleculen als bilirubine
• Intercellulaire communicatie: signaalmoleculen
• Intracellulaire communicatie: doorgeven van informatie van receptor tot dieper in cel →
signaaltransductie
• Immunologische afweer
4 mogelijke niveaus
• Primaire structuur: opeenvolging van aminozuren in eiwitketens in polypeptideketen
• Secundaire structuren: welke interacties maken ze met aangrenzende/ in de buurt liggende
aminozuren
4
