BIOCHEMIE
H1: Biochemistry: An Evolving Science
Biochemie = studie van chemische levensprocessen
Biochemische samenhang ligt aan basis van biologische diversiteit
Alle levensvormen hebben dezelfde biochemische basis = compounds (metabolieten en macromoleculen)
- Dezelfde metabolieten, bv.:
Glucose
o Vroege aarde: toename aan O2 zorgt voor betere verbranding glucose → °meer organismen
Glycerol
- Gelijkaardige macromoleculen
Eiwitten < DNA
o Structuurfunctie = structuur van macro-molec. cruciaal voor functies van molecules
▪ Bv. dubbel helix, complementariteit, anti-parallel…
o Functie DNA : harde schijf van genetische info
- Bv. geneesmiddelen op muizen testen → toepassen op mensen
→ gemeensch. compounds = beste argument voor evolutie → gemeens. voorouder
- Bacteria
- Eukarya
- Archaea
DNA illustreert de relatie tussen structuur en functie
- Lineaire polymeer van vier types basen op een
suikerfosfaatruggengraat
Complementaire basenparen
o Adenine – Thymine
o Cytosine – Guanine
Makkelijk kopies maken door telkens complementaire basen te plakken
Back-ups mogelijk: bv. mutaties kunnen hersteld worden via info van complementaire streng
- Dubbele helix
- Anti-parallel: 5’ → 3’ en 3’ → 5’
- Erfelijkheid
Elke streng dient als template voor een nieuwe gesynthetiseerde streng
Basis concepten van chemie verklaren de eigenschappen van biologische moleculen
Chemische interacties bepalen de structuur
- Solvent eigenschappen belangrijk!
Bv. bij vorming van DNA →
Water = solvent of life
Covalente binding
Elektronen worden gedeeld tussen atomen
- Sterke binding met veel energie
C-C → 85 kcal/mol
C=O → 175 kcal/mol
- Quasi irreversibel
- Bv. tussen basen en suikerfosfaatruggengraat in DNA
- Bv. acetaat
- Soms meerdere patronen mogelijk
1 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
, Bv. adenine
- Chemische reacties = breken en vormen van covalente bindingen
Arrow pushing: e- delen
o Elke pijl = elektronenpaar
Niet-covalente binding
- Zwakke interacties
Veel tezamen = significant
- Makkelijk breken en vormen
- Reversibel
1. Elektrostatische interactie
- Hoe hoger de lading, hoe hoger de energie
- Wet van Coulomb: E = k q1 q2 / D r
D = dialectische constante
o beschrijft eigenschappen
o meestal 1
o D = 80 bij H2O → extreem → heel zwakke binding
▪ Dus interactie in vacuüm veel sterker dan in H2O
- 1,4 kcal/mol
2. Waterstofbruggen
- Donor & acceptor
- Tussen de twee DNA-strengen
A – T: 2
C – G: 3
DNA makkelijk kunnen openritsen
- H2O kan acceptor én donor zijn
Kan 4 bruggen vormen
- Vaak 3 Å als lengte tussen d & a
3. Van der Waals interactie
- 0,5 – 1 kcal/mol
- Kernen bij elkaar brengen = onmogelijk want dan krijg je oneindige energie
- Van der Waals afstand: minimale energie
- In DNA: basenparen op een afstand houden → °dubbele helix
2 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
,4. Hydrofobe interactie
- Eigenschappen water
Polair
Telkens 4 bruggen
Heel cohesief = hoge onderlinge aantrekkingskracht tussen moleculen
o Liefst 4 x H2O als buren
- Hydrofobe effect: apolaire moleculen kunnen niet aan waterstofbindingen of ionische interacties met het solvent
doen
Bv. olie (geen N of O bv.) in water zal 1 fase vormen
o Kan niet interageren met water: geen N of O bv.
o Opp. olie daalt, opp. water stijgt
▪ Meer waterstofbruggen kunnen gevormd worden
Thermodynamica
- Bepaalt gedrag van biologische systemen
Onder welke condities kunnen specifieke processen al dan niet plaatsvinden?
- 1e wet: wet van behoud van energie
- 2e wet: de totale entropie (ΔStotaal) van een systeem en zijn omgeving stijgt voor een spontaan proces
Omgeving = universum – systeem
2 H2 + O2 ↔ 2 H2O
o Ssysteem daalt
o Somgeving stijgt
o Hsysteem stijgt: enthalpie = energie afgegeven aan de omgeving (anders knalt 2H 2 + O2)
Gibs vrije energie
= vrije energie: omvat zowel de entropie van het systeem als van de omgeving (warmte die vrijkomt uit het systeem)
➔ Berekenbaar of entropie daalt/stijgt en dus of een proces spontaan of niet is
Heat release
Warmte komt vrij in de omgeving bij de vorming van de dubbele helix!
➔ 60 kcal/mol moet geabsorbeerd worden voor constante T
3 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
,Zuur-base reacties
- pH bepaalt bv. ionisaties
bv. guanine kan een proton verliezen bij pKa = 9,7
- pH = 7
zuurtegraad mens + gebufferd (pH niet te snel doen stijgen/dalen)
guanine = geprotoneerd → °H-bruggen mogelijk
- Fosforzuur = belangrijke buffer in biologische systemen
De genomische revolutie transformeert biochemie, geneeskunde en andere gebieden
- Genoom
Codeert eiwitten & bevat info over plaats waar ze moeten zijn, locatie, tijd…
Sequeneren van het genoom wordt steeds goedkoper
Bv. migratie van mensen duizenden jaren geleden dmv vergelijken van DNA sequenties ondersteunt
- The human microbiome
obv wat we eten en micro-organismen die we tegenkomen wordt onze eigen biochemie beïnvloed
- Moleculaire representaties
Space filling, ball-and-stick, skeletal, stereochemie (isomeren (spiegelbeelden), Fisher)
Kleurcode
o O = rood
o C = zwart
o H = wit
o S = geel
o N = blauw
4 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
,H2: Protein Composition and Structure
Proteïnen bestaan uit combinaties van aminozuren
- Lineaire keten van aminozuren dat zich via structuurelementen verder opvouwt tot 3D (tertiaire) structuur
- Meerdere eiwitten samen = quaternaire structuur
Structuur = biologische functie
- Volledige structuur van eiwit bepaalt vooral de functie ervan
- Bv. een symmetrisch dimeer van 2 eiwitten dat zich rond
DNA bindt
Interageert met DNA dat ook een tweevoudige
symmetrie heeft
3D structuur van het dimeer bepaalt of het rond DNA
kan of niet
Veel eiwitten werken in eiwitcomplexen
- Bv. in spieren: gespecialiseerde cellen met meerdere nuclei met daarin sarcomeren
Sacromeren bestaan uit vezels = complexe combinatie van eiwitten die samenwerking en
over elkaar schuiven voor contractie
Motoreiwitten!
Sommige eiwitten zijn rigide, andere flexibel
- Meestal dynamisch/flexibel
- Bv. een eiwit dat een ijzeratoom kan binden
Als het gebonden is, ondergaat het een conformatieverandering om ijzer af te schermen
van solvent
- Dynamiek en conformationele wijzigingen bepalen dus mee de functie!
Structuur aminozuren
= 20 mogelijke chemische bouwstenen voor eiwitten
Alle levende wezens gebruiken exact dezelfde 20 aminozuren!
“Aminoacid”
< organische molecules: altijd een koolstof centraal
< 4 substituenten:
- 1 waterstof langs Cα kant
- 1 amino: NH3+
- 1 acid: COO-
- Restgroep R
zorgt voor variatie tussen aminozuren
Stereochemie: isomeren
- L-isomeer
- D-isomeer
→ alle aminozuren zullen enkel van L-isomeren zijn!
D-isomeren zijn ook mogelijk → velen zijn toxisch! → komt dus niet voor in biologische systemen
Chemische diversiteit: 20 mogelijke zijketens (restgroep)
Divers qua…
- Grootte
- Vorm
- Lading
- Eigenschappen om waterstofbruggen te kunnen vormen
5 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
, - Eigenschappen mbt hydrofoob karakter
- Al dan niet chemisch reactief
Het zijn zwitterions
= zowel een negatief als positief geladen deel
- NH3+ = ioniseerbaar → proton verliezen
- COO- = ioniseerbaar → proton opnemen
- Onder pH 7 zijn beiden geladen: globaal zijn ze negatief
(!) → goed wateroplosbaar
- Sommige andere zijketens zijn los van dit ook
ioniseerbaar
- Bij lagere pH: proton opnemen → op COO- plaatsen
- Bij hogere pH: proton afgeven → van NH3+ afhalen
Soorten
➔ 20 AZ’s die in evolutie gekozen zijn omdat ze een grote diversiteit aan chemische eigenschappen hebben
➔ Zouden moeten opgenomen zijn uit de omgeving (vandaag de dag is omgeving chemisch heel anders)
➔ 20 AZ’s zijn chemisch heel stabiel
➔ Meeste micro-organismen maken hun eigen AZ
➔ Wij maken slechts 11 zelf, de rest via voeding
Glycine (Gly, G)
- Eenvoudigste
- Zijketen = waterstof = H
- Geen asymmetrische eigenschappen
Geen isomerie
Wel bij alle anderen!
Methygroep
Alanine (Ala, A)
- Zijketen = methylgroep = CH3
Valine (Val, V)
- Zijketen = 3 methylgroepen = 3 x CH3
Leucine (Leu, L)
- Zijketen = 4 methylgroepen = 4 x CH3
6 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
, Isoleucine (Ile, I)
- Zijketen = 4 methylgroepen in andere constellatie
= 4 x CH3
Methionine (Met, M)
- Zijketen = 3 methylgroepen + 1 zwavel = 3 x CH3
en S
Proline (Pro, P)
- Speciale
- Secundaire amino (hangt vast aan 2 andere
ketens)
Zijketens zitten in hoofdketen
- In bijna alle eiwitten
Aromatische zijketens
Kan meeste licht absorberen + groep dat bij fotospectrometrie gebruikt kan worden om naar eiwitten te kijken
Phenylalanine (Phe, F)
- Zijketen = benzeenring
- Alaline met phenylgroep
Tyrosine (Tyr, Y)
- Zijketen = phenolring + hydroxylgroep
OH → alcohol
- Alanine met phenolgroep
- Beetje fluorescent
Tryptofaan (Trp, W)
- Heterocyclische ring = benzeering +
stikstofhoudende vijfring
- Dus 2 aromatische ringen
- Grootste fluorescente eigenschappen!
7 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
H1: Biochemistry: An Evolving Science
Biochemie = studie van chemische levensprocessen
Biochemische samenhang ligt aan basis van biologische diversiteit
Alle levensvormen hebben dezelfde biochemische basis = compounds (metabolieten en macromoleculen)
- Dezelfde metabolieten, bv.:
Glucose
o Vroege aarde: toename aan O2 zorgt voor betere verbranding glucose → °meer organismen
Glycerol
- Gelijkaardige macromoleculen
Eiwitten < DNA
o Structuurfunctie = structuur van macro-molec. cruciaal voor functies van molecules
▪ Bv. dubbel helix, complementariteit, anti-parallel…
o Functie DNA : harde schijf van genetische info
- Bv. geneesmiddelen op muizen testen → toepassen op mensen
→ gemeensch. compounds = beste argument voor evolutie → gemeens. voorouder
- Bacteria
- Eukarya
- Archaea
DNA illustreert de relatie tussen structuur en functie
- Lineaire polymeer van vier types basen op een
suikerfosfaatruggengraat
Complementaire basenparen
o Adenine – Thymine
o Cytosine – Guanine
Makkelijk kopies maken door telkens complementaire basen te plakken
Back-ups mogelijk: bv. mutaties kunnen hersteld worden via info van complementaire streng
- Dubbele helix
- Anti-parallel: 5’ → 3’ en 3’ → 5’
- Erfelijkheid
Elke streng dient als template voor een nieuwe gesynthetiseerde streng
Basis concepten van chemie verklaren de eigenschappen van biologische moleculen
Chemische interacties bepalen de structuur
- Solvent eigenschappen belangrijk!
Bv. bij vorming van DNA →
Water = solvent of life
Covalente binding
Elektronen worden gedeeld tussen atomen
- Sterke binding met veel energie
C-C → 85 kcal/mol
C=O → 175 kcal/mol
- Quasi irreversibel
- Bv. tussen basen en suikerfosfaatruggengraat in DNA
- Bv. acetaat
- Soms meerdere patronen mogelijk
1 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
, Bv. adenine
- Chemische reacties = breken en vormen van covalente bindingen
Arrow pushing: e- delen
o Elke pijl = elektronenpaar
Niet-covalente binding
- Zwakke interacties
Veel tezamen = significant
- Makkelijk breken en vormen
- Reversibel
1. Elektrostatische interactie
- Hoe hoger de lading, hoe hoger de energie
- Wet van Coulomb: E = k q1 q2 / D r
D = dialectische constante
o beschrijft eigenschappen
o meestal 1
o D = 80 bij H2O → extreem → heel zwakke binding
▪ Dus interactie in vacuüm veel sterker dan in H2O
- 1,4 kcal/mol
2. Waterstofbruggen
- Donor & acceptor
- Tussen de twee DNA-strengen
A – T: 2
C – G: 3
DNA makkelijk kunnen openritsen
- H2O kan acceptor én donor zijn
Kan 4 bruggen vormen
- Vaak 3 Å als lengte tussen d & a
3. Van der Waals interactie
- 0,5 – 1 kcal/mol
- Kernen bij elkaar brengen = onmogelijk want dan krijg je oneindige energie
- Van der Waals afstand: minimale energie
- In DNA: basenparen op een afstand houden → °dubbele helix
2 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
,4. Hydrofobe interactie
- Eigenschappen water
Polair
Telkens 4 bruggen
Heel cohesief = hoge onderlinge aantrekkingskracht tussen moleculen
o Liefst 4 x H2O als buren
- Hydrofobe effect: apolaire moleculen kunnen niet aan waterstofbindingen of ionische interacties met het solvent
doen
Bv. olie (geen N of O bv.) in water zal 1 fase vormen
o Kan niet interageren met water: geen N of O bv.
o Opp. olie daalt, opp. water stijgt
▪ Meer waterstofbruggen kunnen gevormd worden
Thermodynamica
- Bepaalt gedrag van biologische systemen
Onder welke condities kunnen specifieke processen al dan niet plaatsvinden?
- 1e wet: wet van behoud van energie
- 2e wet: de totale entropie (ΔStotaal) van een systeem en zijn omgeving stijgt voor een spontaan proces
Omgeving = universum – systeem
2 H2 + O2 ↔ 2 H2O
o Ssysteem daalt
o Somgeving stijgt
o Hsysteem stijgt: enthalpie = energie afgegeven aan de omgeving (anders knalt 2H 2 + O2)
Gibs vrije energie
= vrije energie: omvat zowel de entropie van het systeem als van de omgeving (warmte die vrijkomt uit het systeem)
➔ Berekenbaar of entropie daalt/stijgt en dus of een proces spontaan of niet is
Heat release
Warmte komt vrij in de omgeving bij de vorming van de dubbele helix!
➔ 60 kcal/mol moet geabsorbeerd worden voor constante T
3 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
,Zuur-base reacties
- pH bepaalt bv. ionisaties
bv. guanine kan een proton verliezen bij pKa = 9,7
- pH = 7
zuurtegraad mens + gebufferd (pH niet te snel doen stijgen/dalen)
guanine = geprotoneerd → °H-bruggen mogelijk
- Fosforzuur = belangrijke buffer in biologische systemen
De genomische revolutie transformeert biochemie, geneeskunde en andere gebieden
- Genoom
Codeert eiwitten & bevat info over plaats waar ze moeten zijn, locatie, tijd…
Sequeneren van het genoom wordt steeds goedkoper
Bv. migratie van mensen duizenden jaren geleden dmv vergelijken van DNA sequenties ondersteunt
- The human microbiome
obv wat we eten en micro-organismen die we tegenkomen wordt onze eigen biochemie beïnvloed
- Moleculaire representaties
Space filling, ball-and-stick, skeletal, stereochemie (isomeren (spiegelbeelden), Fisher)
Kleurcode
o O = rood
o C = zwart
o H = wit
o S = geel
o N = blauw
4 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
,H2: Protein Composition and Structure
Proteïnen bestaan uit combinaties van aminozuren
- Lineaire keten van aminozuren dat zich via structuurelementen verder opvouwt tot 3D (tertiaire) structuur
- Meerdere eiwitten samen = quaternaire structuur
Structuur = biologische functie
- Volledige structuur van eiwit bepaalt vooral de functie ervan
- Bv. een symmetrisch dimeer van 2 eiwitten dat zich rond
DNA bindt
Interageert met DNA dat ook een tweevoudige
symmetrie heeft
3D structuur van het dimeer bepaalt of het rond DNA
kan of niet
Veel eiwitten werken in eiwitcomplexen
- Bv. in spieren: gespecialiseerde cellen met meerdere nuclei met daarin sarcomeren
Sacromeren bestaan uit vezels = complexe combinatie van eiwitten die samenwerking en
over elkaar schuiven voor contractie
Motoreiwitten!
Sommige eiwitten zijn rigide, andere flexibel
- Meestal dynamisch/flexibel
- Bv. een eiwit dat een ijzeratoom kan binden
Als het gebonden is, ondergaat het een conformatieverandering om ijzer af te schermen
van solvent
- Dynamiek en conformationele wijzigingen bepalen dus mee de functie!
Structuur aminozuren
= 20 mogelijke chemische bouwstenen voor eiwitten
Alle levende wezens gebruiken exact dezelfde 20 aminozuren!
“Aminoacid”
< organische molecules: altijd een koolstof centraal
< 4 substituenten:
- 1 waterstof langs Cα kant
- 1 amino: NH3+
- 1 acid: COO-
- Restgroep R
zorgt voor variatie tussen aminozuren
Stereochemie: isomeren
- L-isomeer
- D-isomeer
→ alle aminozuren zullen enkel van L-isomeren zijn!
D-isomeren zijn ook mogelijk → velen zijn toxisch! → komt dus niet voor in biologische systemen
Chemische diversiteit: 20 mogelijke zijketens (restgroep)
Divers qua…
- Grootte
- Vorm
- Lading
- Eigenschappen om waterstofbruggen te kunnen vormen
5 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
, - Eigenschappen mbt hydrofoob karakter
- Al dan niet chemisch reactief
Het zijn zwitterions
= zowel een negatief als positief geladen deel
- NH3+ = ioniseerbaar → proton verliezen
- COO- = ioniseerbaar → proton opnemen
- Onder pH 7 zijn beiden geladen: globaal zijn ze negatief
(!) → goed wateroplosbaar
- Sommige andere zijketens zijn los van dit ook
ioniseerbaar
- Bij lagere pH: proton opnemen → op COO- plaatsen
- Bij hogere pH: proton afgeven → van NH3+ afhalen
Soorten
➔ 20 AZ’s die in evolutie gekozen zijn omdat ze een grote diversiteit aan chemische eigenschappen hebben
➔ Zouden moeten opgenomen zijn uit de omgeving (vandaag de dag is omgeving chemisch heel anders)
➔ 20 AZ’s zijn chemisch heel stabiel
➔ Meeste micro-organismen maken hun eigen AZ
➔ Wij maken slechts 11 zelf, de rest via voeding
Glycine (Gly, G)
- Eenvoudigste
- Zijketen = waterstof = H
- Geen asymmetrische eigenschappen
Geen isomerie
Wel bij alle anderen!
Methygroep
Alanine (Ala, A)
- Zijketen = methylgroep = CH3
Valine (Val, V)
- Zijketen = 3 methylgroepen = 3 x CH3
Leucine (Leu, L)
- Zijketen = 4 methylgroepen = 4 x CH3
6 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
, Isoleucine (Ile, I)
- Zijketen = 4 methylgroepen in andere constellatie
= 4 x CH3
Methionine (Met, M)
- Zijketen = 3 methylgroepen + 1 zwavel = 3 x CH3
en S
Proline (Pro, P)
- Speciale
- Secundaire amino (hangt vast aan 2 andere
ketens)
Zijketens zitten in hoofdketen
- In bijna alle eiwitten
Aromatische zijketens
Kan meeste licht absorberen + groep dat bij fotospectrometrie gebruikt kan worden om naar eiwitten te kijken
Phenylalanine (Phe, F)
- Zijketen = benzeenring
- Alaline met phenylgroep
Tyrosine (Tyr, Y)
- Zijketen = phenolring + hydroxylgroep
OH → alcohol
- Alanine met phenolgroep
- Beetje fluorescent
Tryptofaan (Trp, W)
- Heterocyclische ring = benzeering +
stikstofhoudende vijfring
- Dus 2 aromatische ringen
- Grootste fluorescente eigenschappen!
7 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 – 2022
