Hoofdstuk 2 Alberts: Chemical components of cells
Chemical bonds
De scheikunde van het leven is een ingewikkeld:
- Voornamelijk gebaseerd op koolstof verbindingen
- Voornamelijk afhankelijk van chemische reacties die plaatsvinden in een waterige omgeving
binnen een nauw temperatuur gebied.
- Het is heel erg complex.
- Het wordt gedomineerd en gecoördineerd door een collectie van polymeren; moleculen die
zijn opgemaakt uit veel chemische subunits.
- Het is heel erg strak gereguleerd
De kleinste bouwstenen van elementen zijn atomen. De eigenschappen van stoffen hangt af van
welke atomen ze zijn gemaakt. In het midden van het atoom bevindt zich een dicht positief geladen
kern ( bestaat uit protonen en neutronen). Dit wordt op wat afstand omcirkeld door een wolk van
negatief geladen elektronen. Deze blijven goed in hun baan door elektrostatische
aantrekkingskrachten met de kern.
- Atoomnummer: aantal protonen aanwezig in de kern.
Een atoom heeft normaal gesproken geen lading, wat betekend dat er even veel protonen als
elektronen aanwezig moeten zijn.
Veranderingen in het aantal neutronen in de kern veranderd niet de chemische eigenschappen van
het atoom (isotopen).
- Het atoomgewicht: wordt uitgedrukt in het aantal protonen en neutronen
(dalton)(elektronen worden niet meegerekend wat zijn te licht).
- Avogradro’s getal: aantal atomen die passen in het een hoeveelheid grammen gelijk aan het
atoomgewicht van atoom/molecuul (= 6 ∙ 1032 atomen/moleculen).
Hoewel er 90 verschillende natuurlijke elementen te vinden zijn op aarde, bestaat leven voornamelijk
uit 4 hiervan: koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N) en zuurstof (O).
Elektronen komen in verschillende banen rond de kern voor, en er passen maar een vast aantal
elektronen in elke baan. Ze worden van laag naar hoger opgevuld (willen namelijk altijd zo dicht
mogelijk bij de kern aanwezig zijn). De banen van elektronen zijn het meest stabiel wanneer ze
volledig gevuld zijn, en zulke atomen zijn chemisch niet-reactief. Atomen die nog geen volledig
gevulde buitenste baan hebben zijn wel heel reactief.
,Atomen willen of van elektronen af/ elektronen erbij of elektronen delen zodat hun buitenste baan
volledig gevuld is. Dit zijn chemische verbindingen die atomen met elkaar sterk verbindt: ion
verbindingen en covalente verbindingen.
Een molecuul is een cluster van atomen die bij elkaar worden gehouden door covalente
verbindingen. De elektronen bevinden zich precies op de goede plek tussen de twee kernen van de
verbinding om een balans te creëren tussen het afstoten en aantrekken. Wanneer er meerdere
covalente verbindingen met een enkel atoom wordt gemaakt is er een 3D oriëntatie van deze
verbindingen (zitten bepaalde hoeken tussen de verschillende bindingen, ook lengtes van bindingen
kunnen variëren).
Ook kan een atoom meerdere elektronen delen, dan spreken we over een dubbele binding. Deze
verbindingen zijn korter en sterker dan enkele verbindingen. Ook voorkomen zulke bindingen
rotaties om de as van de binding, zodat een enkele atoom niet kan roteren relatief aan de andere
(wel mogelijk bij enkele bindingen).
Er bestaat ook een binding tussen enkel en dubbel in: Bijvoorbeeld ringen. (elektronen gelijkmatig
verdeeld over de hele ring).
Covalente bindingen waarbij de elektronen niet gelijk worden gedeeld worden ook wel polaire
covalente bindingen genoemd. Dit hangt van de elektronegativiteit. Als deze niet gelijk is voor beide
atomen ontstaat er ongelijkheid in de verdeling van de elektronen.
Covalente bindingen zijn sterk genoeg om de thermische energie in hun omgeving in levende
cellen/organismes te overleven.
Wanneer de elektronegativiteit van twee atomen zo verschillend is kunnen er elektronen worden
uitgewisseld in plaats van gedeeld. Hierdoor krijgen beide atomen een even grote tegenovergestelde
lading. Door deze lading ontstaat er een elektrostatische aantrekkingskracht waardoor ze met ion
bindingen bij elkaar gehouden worden (dit soort substanties met alleen maar ion-bindingen worden
ook wel zouten genoemd). Veel zouten zijn goed oplosbaar in water. Een positief ion is ook wel en
kation, en een negatief ion is ook wel een anion. Ion-bindingen zijn 10-100 keer zwakker dan
covalente bindingen.
Door het verschil in elektronegativiteit tussen zuurstof en waterstof atomen is water dus polair. De
positieve H-kant zal dan dus kunnen worden aangetrokken door een negatieve O-kant van een ander
watermolecuul. Hierdoor ontstaan er waterstofbruggen.
,Waterstofbruggen zijn ook veel zwakker dan covalente bindingen en kunnen worden gebroken door
thermische beweging. Ook in andere moleculen dan water kunnen er waterstofbruggen worden
gevormd: kan worden gevormd met een postieve H-kant (door polaire covalente binding ontstaan)
en een negatief atoom bij het andere molecuul. Stoffen die polaire bindingen bevatten zijn ook weer
goed oplosbaar in water (hydrofiel). Hydrofobe moleculen zijn ongeladen moleculen die geen tot
weinig waterstofbruggen vormen. Ze lossen ook niet goed op in water.
Waterstofbruggen zijn een voorbeeld van non-covalente bindingen. Deze bindingen zijn individueel
best zwak maar bij elkaar opgeteld zijn ze vaak van groot belang. Er zijn nog andere soorten non-
covalente bindingen:
- Elektrostatische aantrekkingskracht: dit zijn bijvoorbeeld de ion-bindingen, maar deze
aantrekking kan ook zijn tussen moleculen die polaire covalente bindingen bevat.
- Van der Waals aantrekkingskracht: is aanwezig wanneer atomen heel erg dichtbij elkaar zijn.
Vindt plaats in alle soort moleculen (ook non-polair).
- Hydrofobe kracht: Dit is eigenlijk niet een soort verbinding. Is het afstoten van non-polaire
oppervlaktes van het waterbruggen gevormde netwerk van water.
, Substanties waarbij protonen vrijkomen bij het oplossen in water, waardoor er 𝐻3 𝑂+ wordt
gevormd, worden ook wel zuren genoemd. De concentratie van 𝐻 + in een substantie wordt
aangegeven met de logaritmische pH schaal. Hoge 𝐻 + -concentratie, lage pH; lage 𝐻 + -concentratie,
hoge pH. Een zuur kan als sterk of zwak worden omgeschreven door hoe snel hij zijn proton
kwijtraakt. De meeste belangrijke zuren in een cel zijn zwak.
Moleculen die protonen aannemen wanneer ze oplossen in water worden basen genoemd. Het
verhoogd de concentratie van 𝑂𝐻 − door een proton te verwijderen van een watermolecuul.
Belangrijke base in de cel zijn weer vaker zwak dan sterk (veel bevatten een 𝑁𝐻2 groep wat een
proton kan opnemen). Het interieur van een cel wordt nauw rond een neutrale pH gehouden door de
aanwezigheid van buffers.
Small molecules in cells
Alle koolstof houdende verbindingen worden ook wel organische moleculen genoemd. Alle andere
soort moleculen, zoals water, worden anorganisch genoemd. Organische cellen die geproduceerd
worden door cellen bevatten vaak specifieke combinaties van atomen:
- Methyl (−𝐶𝐻3 )
- Hydroxyl (−𝑂𝐻)
- Cabroxyl (−𝐶𝑂𝑂𝐻)
- Carbonyl (−𝐶 = 𝑂)
- Phosphoryl (−𝑃𝑂32− )
- Amino (−𝑁𝐻2 )
Deze groepen hebben invloed op het gedrag van de moleculen waar ze in zitten. Weten wat deze
groepen doen versimpelt het begrijpen van de chemie van het leven.
Cellen bevatten 4 grote families van verschillende kleine organische moleculen (bevatten tot
ongeveer 30 koolstof atomen) : suikers, vetzuren, aminozuren en nucleotiden. Marcomoleculen
ontstaan door het aan elkaar koppelen van deze kleinere moleculen.
Suikers, ook wel monosaccharide, zijn verbindingen met de formule (𝐶𝐻2 𝑁)𝑛 . De grotere moleculen
van suikers gemaakt zijn worden koolhydraten genoemd. De configuratie van bovengenoemde
formule kan op verschillende manier voorkomen, wat dus veel verschillende suikers kan creëren. Ook
komen suikers altijd voor in 2 vormen: L-vorm en D-vorm. Dit zijn spiegelbeelden van elkaar en
worden ook wel (optical) isomeren genoemd.
Monosacchariden kunnen verbonden worden met elkaar door covalente bindingen: glycosidische
bindingen.
- Disaccharides: twee verbonden monosaccharides
- Oligosaccharides: 2 tot 10 verbonden monosaccharides
- Polysaccharides: kan honderden verbonden monosaccharides bevatten
De binding wordt gevormd tussen twee −𝑂𝐻 groepen van twee monosaccharides door een
condensatie reactie (energie ongunstig). Het omgekeerde proces wordt hydrolysis genoemd
(energie gunstig).
Chemical bonds
De scheikunde van het leven is een ingewikkeld:
- Voornamelijk gebaseerd op koolstof verbindingen
- Voornamelijk afhankelijk van chemische reacties die plaatsvinden in een waterige omgeving
binnen een nauw temperatuur gebied.
- Het is heel erg complex.
- Het wordt gedomineerd en gecoördineerd door een collectie van polymeren; moleculen die
zijn opgemaakt uit veel chemische subunits.
- Het is heel erg strak gereguleerd
De kleinste bouwstenen van elementen zijn atomen. De eigenschappen van stoffen hangt af van
welke atomen ze zijn gemaakt. In het midden van het atoom bevindt zich een dicht positief geladen
kern ( bestaat uit protonen en neutronen). Dit wordt op wat afstand omcirkeld door een wolk van
negatief geladen elektronen. Deze blijven goed in hun baan door elektrostatische
aantrekkingskrachten met de kern.
- Atoomnummer: aantal protonen aanwezig in de kern.
Een atoom heeft normaal gesproken geen lading, wat betekend dat er even veel protonen als
elektronen aanwezig moeten zijn.
Veranderingen in het aantal neutronen in de kern veranderd niet de chemische eigenschappen van
het atoom (isotopen).
- Het atoomgewicht: wordt uitgedrukt in het aantal protonen en neutronen
(dalton)(elektronen worden niet meegerekend wat zijn te licht).
- Avogradro’s getal: aantal atomen die passen in het een hoeveelheid grammen gelijk aan het
atoomgewicht van atoom/molecuul (= 6 ∙ 1032 atomen/moleculen).
Hoewel er 90 verschillende natuurlijke elementen te vinden zijn op aarde, bestaat leven voornamelijk
uit 4 hiervan: koolstof (C), waterstof (H), stikstof (N) en zuurstof (O).
Elektronen komen in verschillende banen rond de kern voor, en er passen maar een vast aantal
elektronen in elke baan. Ze worden van laag naar hoger opgevuld (willen namelijk altijd zo dicht
mogelijk bij de kern aanwezig zijn). De banen van elektronen zijn het meest stabiel wanneer ze
volledig gevuld zijn, en zulke atomen zijn chemisch niet-reactief. Atomen die nog geen volledig
gevulde buitenste baan hebben zijn wel heel reactief.
,Atomen willen of van elektronen af/ elektronen erbij of elektronen delen zodat hun buitenste baan
volledig gevuld is. Dit zijn chemische verbindingen die atomen met elkaar sterk verbindt: ion
verbindingen en covalente verbindingen.
Een molecuul is een cluster van atomen die bij elkaar worden gehouden door covalente
verbindingen. De elektronen bevinden zich precies op de goede plek tussen de twee kernen van de
verbinding om een balans te creëren tussen het afstoten en aantrekken. Wanneer er meerdere
covalente verbindingen met een enkel atoom wordt gemaakt is er een 3D oriëntatie van deze
verbindingen (zitten bepaalde hoeken tussen de verschillende bindingen, ook lengtes van bindingen
kunnen variëren).
Ook kan een atoom meerdere elektronen delen, dan spreken we over een dubbele binding. Deze
verbindingen zijn korter en sterker dan enkele verbindingen. Ook voorkomen zulke bindingen
rotaties om de as van de binding, zodat een enkele atoom niet kan roteren relatief aan de andere
(wel mogelijk bij enkele bindingen).
Er bestaat ook een binding tussen enkel en dubbel in: Bijvoorbeeld ringen. (elektronen gelijkmatig
verdeeld over de hele ring).
Covalente bindingen waarbij de elektronen niet gelijk worden gedeeld worden ook wel polaire
covalente bindingen genoemd. Dit hangt van de elektronegativiteit. Als deze niet gelijk is voor beide
atomen ontstaat er ongelijkheid in de verdeling van de elektronen.
Covalente bindingen zijn sterk genoeg om de thermische energie in hun omgeving in levende
cellen/organismes te overleven.
Wanneer de elektronegativiteit van twee atomen zo verschillend is kunnen er elektronen worden
uitgewisseld in plaats van gedeeld. Hierdoor krijgen beide atomen een even grote tegenovergestelde
lading. Door deze lading ontstaat er een elektrostatische aantrekkingskracht waardoor ze met ion
bindingen bij elkaar gehouden worden (dit soort substanties met alleen maar ion-bindingen worden
ook wel zouten genoemd). Veel zouten zijn goed oplosbaar in water. Een positief ion is ook wel en
kation, en een negatief ion is ook wel een anion. Ion-bindingen zijn 10-100 keer zwakker dan
covalente bindingen.
Door het verschil in elektronegativiteit tussen zuurstof en waterstof atomen is water dus polair. De
positieve H-kant zal dan dus kunnen worden aangetrokken door een negatieve O-kant van een ander
watermolecuul. Hierdoor ontstaan er waterstofbruggen.
,Waterstofbruggen zijn ook veel zwakker dan covalente bindingen en kunnen worden gebroken door
thermische beweging. Ook in andere moleculen dan water kunnen er waterstofbruggen worden
gevormd: kan worden gevormd met een postieve H-kant (door polaire covalente binding ontstaan)
en een negatief atoom bij het andere molecuul. Stoffen die polaire bindingen bevatten zijn ook weer
goed oplosbaar in water (hydrofiel). Hydrofobe moleculen zijn ongeladen moleculen die geen tot
weinig waterstofbruggen vormen. Ze lossen ook niet goed op in water.
Waterstofbruggen zijn een voorbeeld van non-covalente bindingen. Deze bindingen zijn individueel
best zwak maar bij elkaar opgeteld zijn ze vaak van groot belang. Er zijn nog andere soorten non-
covalente bindingen:
- Elektrostatische aantrekkingskracht: dit zijn bijvoorbeeld de ion-bindingen, maar deze
aantrekking kan ook zijn tussen moleculen die polaire covalente bindingen bevat.
- Van der Waals aantrekkingskracht: is aanwezig wanneer atomen heel erg dichtbij elkaar zijn.
Vindt plaats in alle soort moleculen (ook non-polair).
- Hydrofobe kracht: Dit is eigenlijk niet een soort verbinding. Is het afstoten van non-polaire
oppervlaktes van het waterbruggen gevormde netwerk van water.
, Substanties waarbij protonen vrijkomen bij het oplossen in water, waardoor er 𝐻3 𝑂+ wordt
gevormd, worden ook wel zuren genoemd. De concentratie van 𝐻 + in een substantie wordt
aangegeven met de logaritmische pH schaal. Hoge 𝐻 + -concentratie, lage pH; lage 𝐻 + -concentratie,
hoge pH. Een zuur kan als sterk of zwak worden omgeschreven door hoe snel hij zijn proton
kwijtraakt. De meeste belangrijke zuren in een cel zijn zwak.
Moleculen die protonen aannemen wanneer ze oplossen in water worden basen genoemd. Het
verhoogd de concentratie van 𝑂𝐻 − door een proton te verwijderen van een watermolecuul.
Belangrijke base in de cel zijn weer vaker zwak dan sterk (veel bevatten een 𝑁𝐻2 groep wat een
proton kan opnemen). Het interieur van een cel wordt nauw rond een neutrale pH gehouden door de
aanwezigheid van buffers.
Small molecules in cells
Alle koolstof houdende verbindingen worden ook wel organische moleculen genoemd. Alle andere
soort moleculen, zoals water, worden anorganisch genoemd. Organische cellen die geproduceerd
worden door cellen bevatten vaak specifieke combinaties van atomen:
- Methyl (−𝐶𝐻3 )
- Hydroxyl (−𝑂𝐻)
- Cabroxyl (−𝐶𝑂𝑂𝐻)
- Carbonyl (−𝐶 = 𝑂)
- Phosphoryl (−𝑃𝑂32− )
- Amino (−𝑁𝐻2 )
Deze groepen hebben invloed op het gedrag van de moleculen waar ze in zitten. Weten wat deze
groepen doen versimpelt het begrijpen van de chemie van het leven.
Cellen bevatten 4 grote families van verschillende kleine organische moleculen (bevatten tot
ongeveer 30 koolstof atomen) : suikers, vetzuren, aminozuren en nucleotiden. Marcomoleculen
ontstaan door het aan elkaar koppelen van deze kleinere moleculen.
Suikers, ook wel monosaccharide, zijn verbindingen met de formule (𝐶𝐻2 𝑁)𝑛 . De grotere moleculen
van suikers gemaakt zijn worden koolhydraten genoemd. De configuratie van bovengenoemde
formule kan op verschillende manier voorkomen, wat dus veel verschillende suikers kan creëren. Ook
komen suikers altijd voor in 2 vormen: L-vorm en D-vorm. Dit zijn spiegelbeelden van elkaar en
worden ook wel (optical) isomeren genoemd.
Monosacchariden kunnen verbonden worden met elkaar door covalente bindingen: glycosidische
bindingen.
- Disaccharides: twee verbonden monosaccharides
- Oligosaccharides: 2 tot 10 verbonden monosaccharides
- Polysaccharides: kan honderden verbonden monosaccharides bevatten
De binding wordt gevormd tussen twee −𝑂𝐻 groepen van twee monosaccharides door een
condensatie reactie (energie ongunstig). Het omgekeerde proces wordt hydrolysis genoemd
(energie gunstig).
