Biopolymeren
I. Inleiding
1 Biochemie en biologische systemen
1.1 Doel biochemie
= beschrijven in moleculaire termen van de structuur, organisatie en functie van levende
materie.
1. Structurele chemie van componenten uit levende materie en de verwantschap van
de biologische functie met de chemische structuur.
2. Metabolisme: het geheel van chemische reacties welke voorkomen in levende
materie.
3. Moleculaire genetica/moleculaire biologie: de chemie van processen en van
substanties welke biologische informatie stockeren en doorgeven
1.2 Kort historisch overzicht
• Biochemie
- Wöhler: synthese ureum (uitsluitend biologische aanmaak) uit anorganisch
ammonium cyanaat
=> barrière levende en niet-levende materie wordt vaag
- Buchner: opengebroken gistcellen kunnen suiker tot ethanol fermenteren
=> levende wezens zijn niet noodzakelijk om biologische processen door te laten gaan
- Sumner: kristallisatie van een enzyme (urease)
=> hoewel eiwitten groot en complex zijn, zijn ze ‘slechts’ organische componenten
waarvan de structuur kan bepaald worden door chemische methoden.
• Celbiologie
- Hooke: beschrijving van cellen, leidt uiteindelijk tot uitvinding van de
electronenmicroscoop (celorganellen nu waargenomen)
! Nieuwste evolutie: MALDI imaging
- Flemming: beschrijving chromosomen, leidt tot brug tussen genetica en celbiologie
• Genetica
- Mendel: gen, erfelijke informatie
=> genen op chromosomen
=> opgebouwd uit eiwitten en nucleïnezuren
=> 1940 – 1950: deoxyribonucleïnezuur (DNA) is de drager van de genetische
informatie
=> - 1953: Watson en Crick: beschrijving van de dubbele helix structuur van DNA
• Moleculaire biologie
!!!! Sinds ± 1953: verweving van 3 disciplines tot ‘moleculaire biologie’
1.3 Chemische elementen van levende materie
4 elementen: C, H, N en O = voornaamste bouwstenen leven de wezens
=> O en H door voorkomen water in levende wezens
=> 4 elementen bezitten eigenschap om covalente bindingen aan te gaan (vooral C-C)
! ook P (metabolisme), S (eiwitten), ionen en metalen zijn belangrijke componenten
1.4 Biopolymeren
, DNA: een menselijk chromosoom bestaat uit 2 macromoleculen (met elk een moleculair
gewicht van gemiddeld 20 x 109 Da)
=> eiwitten zijn kleiner (gemiddeld 5 x 104 Da)
Opbouw van grote moleculen gebeurt modulair
= deze macromoleculen zijn dus allen polymeren, welke worden samengesteld met
voorgefabriceerde bouwstenen, de monomeren
=> polymeren kunnen worden opgebouwd uit dezelfde monomeren (homopolymeren).
=> meeste polymeren bestaan uit verschillende monomeren (heteropolymeren) waarbij
het de opeenvolging en combinatie is van de verschillende monomeren die aan de
polymeren hun variëteit verschaffen
• Nucleïnezuren
=> heteropolymeren van 4 versch. nucleotiden (=polynucleotiden)
=> vb DNA, RNA (verschillen in nucleotiden)
= deze moleculen zijn betrokken in de stockage (DNA), het transport en de expressie
(RNA) van genetische informatie
• Eiwitten
=> samengesteld uit combinaties van 20 versch. aminozuren verbonden mbv
peptidebinding
=> polypeptiden is andere naam voor eiwit
=> grote structurele diversiteit en dus ook functionele diversiteit
• Carbohydraten
=> opgebouwd uit sacchariden => polysacchariden
=> vervullen structurele rol in de cel (cellulose) of opslag energie (zetmeel)
• Lipiden
=> in principe geen polymeren (geen aaneenschakelingen van bouwstenen)
=> opbouw is eigenlijk wel modulair
=> weinig wateroplosbaar => voornaamste componenten membranen
Verdeling biopolymeren in cel
- eiwitten in elke celorganel (behalve plantcelwand en vacuole inhoud)
- nucleïnezuren in organellen betrokken bij stockage (kern, mitochondriën, chloroplasten) en
transmissie (ribosomen) van genetische informatie
- Lipiden in organellen waarbij een duidelijke aflijning gewenst is
- carbohydraten minder in intracellulair milieu (onduidelijke reden)
=> daarom gevonden in de organellen die verantwoordelijk zijn voor aanmaak van eiwitten die in
het extracellulair milieu terechtkomen (ER), of in de celwand van planten
2 zwakke interacties in waterige oplossingen
2.1 inleiding
Zowel covalente als niet-covalente bindingen spelen een grote rol in functioneren van
macromolecule: bv.
- DNA: covalente bindingen en waterstofbruggen
- Proteïnen: covalente bindingen en intra-en intermoleculaire noncovalente bindingen.
,Covalente interacties:
- Houden atomen bij elkaar
- 330 - 400 kJ/mol
- Belangrijkste: C-C en C-H
Niet-covalente interacties:
- 2 - 40 kJ/mol
- Individueel zwak, maar kunnen gezamenlijk een groot totaal uitmaken.
- Maken de stabiliteit op van macromoleculen terwijl ze tegelijkertijd individueel gemakkelijk
kunnen verbroken en hervormd worden waardoor macromoleculen de nodige flexibiliteit krijgen
2.2 niet covalente interacties
2.2.1 interacties tussen ladingen; wet van coulomb
elektrostatische interactie is afhankelijk van de elektrische ladingen op de atomen
=> energie van een elektrostatische interactie wordt gegeven door de wet van Coulomb
=> Arbeid = kracht x verplaatsing
met k een constante = 1/(40)
r afstand tussen beide ladingen
0 is de permittiviteit van een vacuum ( 8.85.10-12J -1C 2m-1)
! permettiviteit = vermogen van een materiaal om te polariseren (o.a. door toedoen van het
aanleggen van een elektrisch veld), waardoor het gedeeltelijk de sterkte van een elektrisch
veld vermindert binnen het materiaal
q1 en q2 worden in Coulomb uitgedrukt
! om energie uit de drukken in non-vacuum of een dielectrisch medium, zoals het waterige
solvent in biologische systemen, moet de dielectrische constante () van dat medium in
rekening worden gebracht
=> nodig omdat het dielectrisch medium de ladingen van elkaar afschermt
=> dus hoe hoger , hoe kleiner de kracht tussen de ladingen
=> water heeft een relatief hoge diëlectrische constante van 80, terwijl organische solventia
gewoonlijk lagere waarden bezitten tussen 1 en 10
=> dus geladen partikels gaan eerder zwak met elkaar interageren in waterig milieu tenzij ze zeer
dicht bij elkaar zijn
! als q1 en q2 dezelfde lading bezitten = energie is positief => repulsie
wanneer q1 en q2 een tegenovergestelde lading bezitten = energie is negatief => aantrekking
Energie is proportioneel met afstand, wat betekent dat U nul benadert bij zeer grote afstand
2.2.2 permanente en geïnduceerde dipoolinteracties
2.2.2.1 permanente dipolen
Deze moleculen bezitten een ongelijke verdeling van hun lading = polair
=> bezitten een permanent dipoolmoment (µ) en bezitten al dan niet een
netto lading van nul.
Voorbeelden moleculen met netto lading = 0 => water en koolstofdioxide
, ! ongelijke verdeling van lading is niet voldoende voor het maken van een dipoolmoment
=> bij CO2 zijn de twee e- dichter tegen de zuurstof gelegen maar aangezien het koolstof exact in
het midden ligt schakelen de dipoolmomenten elkaar uit
Dipoolmoment = maat voor de polariteit
Indien een lineaire molecule zoals CO fractionele ladingen q- en q+ heeft, gescheiden door een
afstand x, dan is het dipoolmoment een vector in de richting van q+ met grootte: µ = qx
- q = lading
- x = afstand tussen q- en q+ in de molecule
! dipoolmoment kan ook de som van vectoren zijn van momenten over verschillende bindingen
Glycine en glycylglycine hebben hoge dipoolmomenten van 16.7 en 28.6 D, respectievelijk. (D =
Debye = 3.34.10-30 C m)
De ladingen in permanente dipolen gedragen zich als ionische ladingen => ! wel zwakker
Permanente dipolen kunnen beïnvloed worden door andere dipolen (permanent of
geïnduceerd) of door ionische ladingen
Dipool interacties = afhankelijk vd oriëntatie van de dipolen + werkzaam over korte
afstand:
- de energie van een lading-dipool interactie is proportioneel met 1/r2
- de energie een dipool-dipool interactie met 1/r3 .
! permanente dipoolmoment van water draagt bij tot interactie met andere
watermoleculen
=> verklaart waarom het ionische substanties zoals NaCl zo gemakkelijk kan oplossen
2.2.2.2 geïnduceerde dipolen
Nonpolaire moleculen zonder een dipoolmoment kunnen dipolair worden in
aanwezigheid van een electrisch veld
=> dit veld kan afkomstig zijn van een laboratoriuminstrument/geladen/dipolaire
molecule
I. Inleiding
1 Biochemie en biologische systemen
1.1 Doel biochemie
= beschrijven in moleculaire termen van de structuur, organisatie en functie van levende
materie.
1. Structurele chemie van componenten uit levende materie en de verwantschap van
de biologische functie met de chemische structuur.
2. Metabolisme: het geheel van chemische reacties welke voorkomen in levende
materie.
3. Moleculaire genetica/moleculaire biologie: de chemie van processen en van
substanties welke biologische informatie stockeren en doorgeven
1.2 Kort historisch overzicht
• Biochemie
- Wöhler: synthese ureum (uitsluitend biologische aanmaak) uit anorganisch
ammonium cyanaat
=> barrière levende en niet-levende materie wordt vaag
- Buchner: opengebroken gistcellen kunnen suiker tot ethanol fermenteren
=> levende wezens zijn niet noodzakelijk om biologische processen door te laten gaan
- Sumner: kristallisatie van een enzyme (urease)
=> hoewel eiwitten groot en complex zijn, zijn ze ‘slechts’ organische componenten
waarvan de structuur kan bepaald worden door chemische methoden.
• Celbiologie
- Hooke: beschrijving van cellen, leidt uiteindelijk tot uitvinding van de
electronenmicroscoop (celorganellen nu waargenomen)
! Nieuwste evolutie: MALDI imaging
- Flemming: beschrijving chromosomen, leidt tot brug tussen genetica en celbiologie
• Genetica
- Mendel: gen, erfelijke informatie
=> genen op chromosomen
=> opgebouwd uit eiwitten en nucleïnezuren
=> 1940 – 1950: deoxyribonucleïnezuur (DNA) is de drager van de genetische
informatie
=> - 1953: Watson en Crick: beschrijving van de dubbele helix structuur van DNA
• Moleculaire biologie
!!!! Sinds ± 1953: verweving van 3 disciplines tot ‘moleculaire biologie’
1.3 Chemische elementen van levende materie
4 elementen: C, H, N en O = voornaamste bouwstenen leven de wezens
=> O en H door voorkomen water in levende wezens
=> 4 elementen bezitten eigenschap om covalente bindingen aan te gaan (vooral C-C)
! ook P (metabolisme), S (eiwitten), ionen en metalen zijn belangrijke componenten
1.4 Biopolymeren
, DNA: een menselijk chromosoom bestaat uit 2 macromoleculen (met elk een moleculair
gewicht van gemiddeld 20 x 109 Da)
=> eiwitten zijn kleiner (gemiddeld 5 x 104 Da)
Opbouw van grote moleculen gebeurt modulair
= deze macromoleculen zijn dus allen polymeren, welke worden samengesteld met
voorgefabriceerde bouwstenen, de monomeren
=> polymeren kunnen worden opgebouwd uit dezelfde monomeren (homopolymeren).
=> meeste polymeren bestaan uit verschillende monomeren (heteropolymeren) waarbij
het de opeenvolging en combinatie is van de verschillende monomeren die aan de
polymeren hun variëteit verschaffen
• Nucleïnezuren
=> heteropolymeren van 4 versch. nucleotiden (=polynucleotiden)
=> vb DNA, RNA (verschillen in nucleotiden)
= deze moleculen zijn betrokken in de stockage (DNA), het transport en de expressie
(RNA) van genetische informatie
• Eiwitten
=> samengesteld uit combinaties van 20 versch. aminozuren verbonden mbv
peptidebinding
=> polypeptiden is andere naam voor eiwit
=> grote structurele diversiteit en dus ook functionele diversiteit
• Carbohydraten
=> opgebouwd uit sacchariden => polysacchariden
=> vervullen structurele rol in de cel (cellulose) of opslag energie (zetmeel)
• Lipiden
=> in principe geen polymeren (geen aaneenschakelingen van bouwstenen)
=> opbouw is eigenlijk wel modulair
=> weinig wateroplosbaar => voornaamste componenten membranen
Verdeling biopolymeren in cel
- eiwitten in elke celorganel (behalve plantcelwand en vacuole inhoud)
- nucleïnezuren in organellen betrokken bij stockage (kern, mitochondriën, chloroplasten) en
transmissie (ribosomen) van genetische informatie
- Lipiden in organellen waarbij een duidelijke aflijning gewenst is
- carbohydraten minder in intracellulair milieu (onduidelijke reden)
=> daarom gevonden in de organellen die verantwoordelijk zijn voor aanmaak van eiwitten die in
het extracellulair milieu terechtkomen (ER), of in de celwand van planten
2 zwakke interacties in waterige oplossingen
2.1 inleiding
Zowel covalente als niet-covalente bindingen spelen een grote rol in functioneren van
macromolecule: bv.
- DNA: covalente bindingen en waterstofbruggen
- Proteïnen: covalente bindingen en intra-en intermoleculaire noncovalente bindingen.
,Covalente interacties:
- Houden atomen bij elkaar
- 330 - 400 kJ/mol
- Belangrijkste: C-C en C-H
Niet-covalente interacties:
- 2 - 40 kJ/mol
- Individueel zwak, maar kunnen gezamenlijk een groot totaal uitmaken.
- Maken de stabiliteit op van macromoleculen terwijl ze tegelijkertijd individueel gemakkelijk
kunnen verbroken en hervormd worden waardoor macromoleculen de nodige flexibiliteit krijgen
2.2 niet covalente interacties
2.2.1 interacties tussen ladingen; wet van coulomb
elektrostatische interactie is afhankelijk van de elektrische ladingen op de atomen
=> energie van een elektrostatische interactie wordt gegeven door de wet van Coulomb
=> Arbeid = kracht x verplaatsing
met k een constante = 1/(40)
r afstand tussen beide ladingen
0 is de permittiviteit van een vacuum ( 8.85.10-12J -1C 2m-1)
! permettiviteit = vermogen van een materiaal om te polariseren (o.a. door toedoen van het
aanleggen van een elektrisch veld), waardoor het gedeeltelijk de sterkte van een elektrisch
veld vermindert binnen het materiaal
q1 en q2 worden in Coulomb uitgedrukt
! om energie uit de drukken in non-vacuum of een dielectrisch medium, zoals het waterige
solvent in biologische systemen, moet de dielectrische constante () van dat medium in
rekening worden gebracht
=> nodig omdat het dielectrisch medium de ladingen van elkaar afschermt
=> dus hoe hoger , hoe kleiner de kracht tussen de ladingen
=> water heeft een relatief hoge diëlectrische constante van 80, terwijl organische solventia
gewoonlijk lagere waarden bezitten tussen 1 en 10
=> dus geladen partikels gaan eerder zwak met elkaar interageren in waterig milieu tenzij ze zeer
dicht bij elkaar zijn
! als q1 en q2 dezelfde lading bezitten = energie is positief => repulsie
wanneer q1 en q2 een tegenovergestelde lading bezitten = energie is negatief => aantrekking
Energie is proportioneel met afstand, wat betekent dat U nul benadert bij zeer grote afstand
2.2.2 permanente en geïnduceerde dipoolinteracties
2.2.2.1 permanente dipolen
Deze moleculen bezitten een ongelijke verdeling van hun lading = polair
=> bezitten een permanent dipoolmoment (µ) en bezitten al dan niet een
netto lading van nul.
Voorbeelden moleculen met netto lading = 0 => water en koolstofdioxide
, ! ongelijke verdeling van lading is niet voldoende voor het maken van een dipoolmoment
=> bij CO2 zijn de twee e- dichter tegen de zuurstof gelegen maar aangezien het koolstof exact in
het midden ligt schakelen de dipoolmomenten elkaar uit
Dipoolmoment = maat voor de polariteit
Indien een lineaire molecule zoals CO fractionele ladingen q- en q+ heeft, gescheiden door een
afstand x, dan is het dipoolmoment een vector in de richting van q+ met grootte: µ = qx
- q = lading
- x = afstand tussen q- en q+ in de molecule
! dipoolmoment kan ook de som van vectoren zijn van momenten over verschillende bindingen
Glycine en glycylglycine hebben hoge dipoolmomenten van 16.7 en 28.6 D, respectievelijk. (D =
Debye = 3.34.10-30 C m)
De ladingen in permanente dipolen gedragen zich als ionische ladingen => ! wel zwakker
Permanente dipolen kunnen beïnvloed worden door andere dipolen (permanent of
geïnduceerd) of door ionische ladingen
Dipool interacties = afhankelijk vd oriëntatie van de dipolen + werkzaam over korte
afstand:
- de energie van een lading-dipool interactie is proportioneel met 1/r2
- de energie een dipool-dipool interactie met 1/r3 .
! permanente dipoolmoment van water draagt bij tot interactie met andere
watermoleculen
=> verklaart waarom het ionische substanties zoals NaCl zo gemakkelijk kan oplossen
2.2.2.2 geïnduceerde dipolen
Nonpolaire moleculen zonder een dipoolmoment kunnen dipolair worden in
aanwezigheid van een electrisch veld
=> dit veld kan afkomstig zijn van een laboratoriuminstrument/geladen/dipolaire
molecule
