lOMoAR cPSD| 49011059
, lOMoAR cPSD| 49011059
Hoofdstuk 1: Structuur, eigenschappen en functies van
de biomoleculen
Inleiding
• Celbiologie = de studie van de structuur, de functie en de activiteit van cellen
• Biochemie = bestudeert de chemische basis van de levensprocessen en de structuur van de
levende wezens.
➔ Op niveau van de cel lopen deze twee disciplines volledig in elkaar over.
• Cel = de kleinste structurele en functionele eenheid van de levende wezens, alle organismen,
zowel de primitiefste als de verst geëvolueerde, zijn opgebouwd uit cellen. Veel organismen
bestaan slecht uit één cel.
• Virussen = vertonen slecht een beperkt aantal eigenschappen van de levende wezens en zijn ook
niet uit cellen opgebouwd. Ze worden door onderzoekers niet echt tot de levende wezens
gerekend.
De activiteiten van het organisme als geheel (voortbeweging, ademhaling voeding…) zijn uiteindelijk te
herleiden tot de activiteiten van de individuele cellen.
• Gedifferentieerde cellen = bij hogere organismen zijn vrijwel alleen nog gespecialiseerde cellen
aanwezig die hoofdzakelijk één bepaalde activiteit verrichten. De structuur van deze cellen is
volledig aangepast aan die ene hoofdactiviteit die ze uitvoeren.
• Weefsels = groeperingen van gedifferentieerde cellen.
Toch bestaan er een aantal kenmerken die universeel bij alle cellen aanwezig zijn. Zoals de aard van de
biochemische stoffen waaruit cellen zijn opgebouwd. Proteïnen, polysachariden, lipiden en
nucleïnezuren maken bij alle cellen het grootste deel van de cellulaire structuur uit. Ook de
verschillende cellulaire structuren, zoals de mitochondriën, ribosomen… zijn bij de meeste cellen
gelijkaardig.
• Metabolisme = stofwisseling = staat in voor de opname en omzetting van voedingstoffen zodat
energie en bouwstenen kunnen worden geproduceerd die nodig zijn om de cellulaire structuren
op te bouwen en de activiteiten van de cel in stand te houden.
Cellen ontstaan alleen uit andere cellen. Alle cellen hebben bijgevolg minstens één deling meegemaakt
en de meeste hebben ook een groeiperiode gekend (berust op groei en vermenigvuldiging). In bepaalde
weefsels zijn de cellen zelfs voortdurend in deling. Gedifferentieerde cellen delen zelf niet meer verder
eenmaal ze zijn gevormd.
1.1. Chemische samenstelling van de cel
Cel bestaat uit:
- 70% waterig milieu (polair/hydrofiel)
- Duidelijk afgelijnde apolaire (vet- of olieachtige of hydrofobe) zones: de membranen
Grootste deel v.d. chemicaliën zijn organische (koolstof) verbindingen. Meer dan 90% hiervan zijn de
macromoleculen: polysachariden, lipiden, proteïnen en nucleïnezuren. Het overgrote deel van het
drooggewicht van een cel (na verdampen v.h. water) bestaat uit deze macromoleculen.
Voornaamste functies macromoleculen:
• Polysachariden: reservefunctie (zetmeel) , structurele functie (cellulose, chitine…)
• Lipiden: reservefunctie (in olie- en vetdruppels), structurele functie (fosfolipiden)
• Proteïnen: enzymen, structurele functie, reservefunctie, regulatorische functie, transportfunctie
• nucleïnezuren: DNA, RNA (komt tussen bij de expressie van het genetisch materiaal)
De rest van de organische verbindingen in de cel zijn kleine moleculen die ofwel als bouwstenen dienen ofwel dienst doen als tussenproduct of
regulatoren van de reacties van het metabolisme. Ze bevatten tot ±30 C-atomen. Molecuulgewicht: tussen de 100 en 1000 dalton.
, lOMoAR cPSD| 49011059
Ook bevat elke cel een aantal anorganische ionen. De belangrijkste zijn fosfaat, NH4+, Mg2+, Ca2+, K+ en Fe3+.
→ kunnen in vrij hoge concentraties voorkomen. Ze oefenen allemaal een regulerende werking uit op de
activiteit van enzymen. En vervullen daarnaast nog andere specifieke functies.
1.2. Het element koolstof in de biochemie
C → uitzonderlijk t.o.v. alle andere elementen
→ Vermogen om grote en structureel zeer gevarieerde moleculen te vormen
→ 4 covalente bindingen vormen (zowel met C-atomen als met andere)
→ Ketens van vrijwel onbeperkte lengte vormen (ook ringstructuren)
→ Kan bindingen aangaan met O, P, N, S en H
Door de combinatie van die atomen met de C-atomen kan in principe een oneindige variatie van zeer
complexe moleculen bekomen worden. Die zijn noodzakelijk voor het opbouwen en laten functioneren
van organismen en het doorgeven van eigenschappen aan nakomelingen. Dankzij de uitzonderlijke
eigenschappen van C-atoom dat de levende wezens zijn kunnen ontstaan + evolueren tot de complexiteit
die we op dit moment aantreffen
1.3. Onderscheid: polair – apolair
• Polair = hydrofiel / wateraantrekkend / wateroplosbaar
• Apolair = hydrofoob / waterafstotend / lipofiel / vetoplosbaar
Apolaire oplosmiddelen (bv. alcohol, ether, aceton) = organische solventen
Hoe meer koolwaterstofgroepen → hoe meer apolair een molecule is → hoe slechter het in water zal
oplossen
Voorbeelden apolair:
- Ethanol (C2H5OH) is meer apolair da methanol (CH3OH)
- Aceton bezit twee apolaire methylgroepen en ‘gewone ether’ bezit twee apolaire ethylgroepen
en is dus meer apolair.
- Ringstructuren: veel C-atomen → apolair (benzeen en fenylgroepen)
- Ketenlengte: hoe langer de keten, hoe meer apolair
Polaire stoffen of groepen = moleculen met een inwendige ladingsverdeling: de ene kant van het
molecule is meer negatief geladen, de andere kant is meer positief.
→ gemakkelijk aantrekken watermoleculen (want zij hebben ook een positieve en negatieve pool)
→ Goede oplosbaarheid
Voorbeelden polair:
- Geladen groepen (COO- en NH3+)
- Suikers = polyalcoholen: ze bezitten een hele reeks hydroxylfuncties.
→ de polariteit van een organisch molecule wordt bepaald door de verhouding van het aantal polaire
en apolaire groepen.
, lOMoAR cPSD| 49011059
1.4. Onderscheid: stevige bindingen- zwakke bindingen
Stevige bindingen
• Covalente binding: gewone binding tussen atomen zoals bv. tussen C en H (gemeenschappelijk
elektronenpaar)
→ Zeer stevige binding, (meestal enkel verbroken door enzymen)
Zwakke bindingen
• Ionische binding: treedt op tussen geladen groepen, bv. tussen een carboxylgroep en een
aminogroep. In water is er voortdurend competitie met de partieel geladen polen van de
watermoleculen. → zwakke bindingen in water. In afwezigheid van water: veel sterker.
(= elektrostatische interactie)
• Waterstofbinding: een H-atoom wordt gedeeld tussen 2 elektronegatieve atomen.
Watermoleculen onderling en stoffen die in water opgelost zijn, hechten zich aan elkaar d.m.v.
waterstofbindingen. In water zwakke bindingen omwille van de voortdurende competitie met de
partieel geladen polen van andere watermoleculen.
• Hydrofobe interactie: geen echte chemische binding. De aantrekkingskracht tussen
hydrofobe moleculen of groepen komt tot stand doordat watermoleculen voor elkaar een
veel groter aantrekking bezitten dan voor hydrofobe moleculen. Deze hydrofobe moleculen
gaan met elkaar aggregeren → contactoppervlak met omringende water zo klein mogelijk
wordt. De associatie van de hydrofobe moleculen met elkaar worden nog gestabiliseerd door
van der Waals bindingen = bindingen die optreden tussen alle moleculen, zowel polaire als
apolaire, en zijn te wijten aan aantrekkingskrachten tussen de fluctuerende
ladingsverdelingen die in alle moleculen optreden.
➔ Bij polaire groepen zijn ze van weinig belang. Tussen apolaire moleculen brengen ze een
belangrijke stabilisatie teweeg.
Deze zwakkere bindingen worden reeds bij gewone temperaturen spontaan verbroken door de
thermische energie van de moleculen. Deze zwakke bindingen zijn ook maar van belang wanneer er
meerder optreden. Zo berust de ruimtelijke structuur van alle cellulaire macromoleculen voor een groot
deel op de aanwezigheid van grote aantallen zwakke bindingen → niet alleen gemakkelijk gevormd, ook
gemakkelijk weer doorbroken.
1.5. Overzicht van de bouwstenen van de macromoleculen en
de bindingen ertussen
• Dehydratatiereactie: binding van de bouwstenen of monomeren aan elkaar
• Hydrolyse: splitsing van de polymeren in monomeren, H2O wordt toegevoegd
• Beide worden telkens slecht door één enkel enzym gekatalyseerd: glycosidase, protease, lipase,
fosfolipase, RNAse, DNAse. (zijn algemene benamingen voor die klasse van enzymen)
• Kijk tabel: overzicht van de bouwstenen van de macromoleculen en van de bindingen ertussen.
, lOMoAR cPSD| 49011059
Hoofdstuk 1: Structuur, eigenschappen en functies van
de biomoleculen
Inleiding
• Celbiologie = de studie van de structuur, de functie en de activiteit van cellen
• Biochemie = bestudeert de chemische basis van de levensprocessen en de structuur van de
levende wezens.
➔ Op niveau van de cel lopen deze twee disciplines volledig in elkaar over.
• Cel = de kleinste structurele en functionele eenheid van de levende wezens, alle organismen,
zowel de primitiefste als de verst geëvolueerde, zijn opgebouwd uit cellen. Veel organismen
bestaan slecht uit één cel.
• Virussen = vertonen slecht een beperkt aantal eigenschappen van de levende wezens en zijn ook
niet uit cellen opgebouwd. Ze worden door onderzoekers niet echt tot de levende wezens
gerekend.
De activiteiten van het organisme als geheel (voortbeweging, ademhaling voeding…) zijn uiteindelijk te
herleiden tot de activiteiten van de individuele cellen.
• Gedifferentieerde cellen = bij hogere organismen zijn vrijwel alleen nog gespecialiseerde cellen
aanwezig die hoofdzakelijk één bepaalde activiteit verrichten. De structuur van deze cellen is
volledig aangepast aan die ene hoofdactiviteit die ze uitvoeren.
• Weefsels = groeperingen van gedifferentieerde cellen.
Toch bestaan er een aantal kenmerken die universeel bij alle cellen aanwezig zijn. Zoals de aard van de
biochemische stoffen waaruit cellen zijn opgebouwd. Proteïnen, polysachariden, lipiden en
nucleïnezuren maken bij alle cellen het grootste deel van de cellulaire structuur uit. Ook de
verschillende cellulaire structuren, zoals de mitochondriën, ribosomen… zijn bij de meeste cellen
gelijkaardig.
• Metabolisme = stofwisseling = staat in voor de opname en omzetting van voedingstoffen zodat
energie en bouwstenen kunnen worden geproduceerd die nodig zijn om de cellulaire structuren
op te bouwen en de activiteiten van de cel in stand te houden.
Cellen ontstaan alleen uit andere cellen. Alle cellen hebben bijgevolg minstens één deling meegemaakt
en de meeste hebben ook een groeiperiode gekend (berust op groei en vermenigvuldiging). In bepaalde
weefsels zijn de cellen zelfs voortdurend in deling. Gedifferentieerde cellen delen zelf niet meer verder
eenmaal ze zijn gevormd.
1.1. Chemische samenstelling van de cel
Cel bestaat uit:
- 70% waterig milieu (polair/hydrofiel)
- Duidelijk afgelijnde apolaire (vet- of olieachtige of hydrofobe) zones: de membranen
Grootste deel v.d. chemicaliën zijn organische (koolstof) verbindingen. Meer dan 90% hiervan zijn de
macromoleculen: polysachariden, lipiden, proteïnen en nucleïnezuren. Het overgrote deel van het
drooggewicht van een cel (na verdampen v.h. water) bestaat uit deze macromoleculen.
Voornaamste functies macromoleculen:
• Polysachariden: reservefunctie (zetmeel) , structurele functie (cellulose, chitine…)
• Lipiden: reservefunctie (in olie- en vetdruppels), structurele functie (fosfolipiden)
• Proteïnen: enzymen, structurele functie, reservefunctie, regulatorische functie, transportfunctie
• nucleïnezuren: DNA, RNA (komt tussen bij de expressie van het genetisch materiaal)
De rest van de organische verbindingen in de cel zijn kleine moleculen die ofwel als bouwstenen dienen ofwel dienst doen als tussenproduct of
regulatoren van de reacties van het metabolisme. Ze bevatten tot ±30 C-atomen. Molecuulgewicht: tussen de 100 en 1000 dalton.
, lOMoAR cPSD| 49011059
Ook bevat elke cel een aantal anorganische ionen. De belangrijkste zijn fosfaat, NH4+, Mg2+, Ca2+, K+ en Fe3+.
→ kunnen in vrij hoge concentraties voorkomen. Ze oefenen allemaal een regulerende werking uit op de
activiteit van enzymen. En vervullen daarnaast nog andere specifieke functies.
1.2. Het element koolstof in de biochemie
C → uitzonderlijk t.o.v. alle andere elementen
→ Vermogen om grote en structureel zeer gevarieerde moleculen te vormen
→ 4 covalente bindingen vormen (zowel met C-atomen als met andere)
→ Ketens van vrijwel onbeperkte lengte vormen (ook ringstructuren)
→ Kan bindingen aangaan met O, P, N, S en H
Door de combinatie van die atomen met de C-atomen kan in principe een oneindige variatie van zeer
complexe moleculen bekomen worden. Die zijn noodzakelijk voor het opbouwen en laten functioneren
van organismen en het doorgeven van eigenschappen aan nakomelingen. Dankzij de uitzonderlijke
eigenschappen van C-atoom dat de levende wezens zijn kunnen ontstaan + evolueren tot de complexiteit
die we op dit moment aantreffen
1.3. Onderscheid: polair – apolair
• Polair = hydrofiel / wateraantrekkend / wateroplosbaar
• Apolair = hydrofoob / waterafstotend / lipofiel / vetoplosbaar
Apolaire oplosmiddelen (bv. alcohol, ether, aceton) = organische solventen
Hoe meer koolwaterstofgroepen → hoe meer apolair een molecule is → hoe slechter het in water zal
oplossen
Voorbeelden apolair:
- Ethanol (C2H5OH) is meer apolair da methanol (CH3OH)
- Aceton bezit twee apolaire methylgroepen en ‘gewone ether’ bezit twee apolaire ethylgroepen
en is dus meer apolair.
- Ringstructuren: veel C-atomen → apolair (benzeen en fenylgroepen)
- Ketenlengte: hoe langer de keten, hoe meer apolair
Polaire stoffen of groepen = moleculen met een inwendige ladingsverdeling: de ene kant van het
molecule is meer negatief geladen, de andere kant is meer positief.
→ gemakkelijk aantrekken watermoleculen (want zij hebben ook een positieve en negatieve pool)
→ Goede oplosbaarheid
Voorbeelden polair:
- Geladen groepen (COO- en NH3+)
- Suikers = polyalcoholen: ze bezitten een hele reeks hydroxylfuncties.
→ de polariteit van een organisch molecule wordt bepaald door de verhouding van het aantal polaire
en apolaire groepen.
, lOMoAR cPSD| 49011059
1.4. Onderscheid: stevige bindingen- zwakke bindingen
Stevige bindingen
• Covalente binding: gewone binding tussen atomen zoals bv. tussen C en H (gemeenschappelijk
elektronenpaar)
→ Zeer stevige binding, (meestal enkel verbroken door enzymen)
Zwakke bindingen
• Ionische binding: treedt op tussen geladen groepen, bv. tussen een carboxylgroep en een
aminogroep. In water is er voortdurend competitie met de partieel geladen polen van de
watermoleculen. → zwakke bindingen in water. In afwezigheid van water: veel sterker.
(= elektrostatische interactie)
• Waterstofbinding: een H-atoom wordt gedeeld tussen 2 elektronegatieve atomen.
Watermoleculen onderling en stoffen die in water opgelost zijn, hechten zich aan elkaar d.m.v.
waterstofbindingen. In water zwakke bindingen omwille van de voortdurende competitie met de
partieel geladen polen van andere watermoleculen.
• Hydrofobe interactie: geen echte chemische binding. De aantrekkingskracht tussen
hydrofobe moleculen of groepen komt tot stand doordat watermoleculen voor elkaar een
veel groter aantrekking bezitten dan voor hydrofobe moleculen. Deze hydrofobe moleculen
gaan met elkaar aggregeren → contactoppervlak met omringende water zo klein mogelijk
wordt. De associatie van de hydrofobe moleculen met elkaar worden nog gestabiliseerd door
van der Waals bindingen = bindingen die optreden tussen alle moleculen, zowel polaire als
apolaire, en zijn te wijten aan aantrekkingskrachten tussen de fluctuerende
ladingsverdelingen die in alle moleculen optreden.
➔ Bij polaire groepen zijn ze van weinig belang. Tussen apolaire moleculen brengen ze een
belangrijke stabilisatie teweeg.
Deze zwakkere bindingen worden reeds bij gewone temperaturen spontaan verbroken door de
thermische energie van de moleculen. Deze zwakke bindingen zijn ook maar van belang wanneer er
meerder optreden. Zo berust de ruimtelijke structuur van alle cellulaire macromoleculen voor een groot
deel op de aanwezigheid van grote aantallen zwakke bindingen → niet alleen gemakkelijk gevormd, ook
gemakkelijk weer doorbroken.
1.5. Overzicht van de bouwstenen van de macromoleculen en
de bindingen ertussen
• Dehydratatiereactie: binding van de bouwstenen of monomeren aan elkaar
• Hydrolyse: splitsing van de polymeren in monomeren, H2O wordt toegevoegd
• Beide worden telkens slecht door één enkel enzym gekatalyseerd: glycosidase, protease, lipase,
fosfolipase, RNAse, DNAse. (zijn algemene benamingen voor die klasse van enzymen)
• Kijk tabel: overzicht van de bouwstenen van de macromoleculen en van de bindingen ertussen.
