Hoofdstuk 1: De moleculaire basis van het leven
1. Bio-elementen
De meest voorkomende elementen in het lichaam: C, H, O, N
- Mogelijk om covalente bindingen mee aan te gaan (elektronenpaar delen)
- Mens: C, H, O, N ≈ 99% lichaamsgewicht en C,H,O,N,Ca,P,K,S,Cl,Na,Mg ≈ 99,95%
Essentieel voor alle levensvormen: zonder kunnen ze niet overleven
Sporenelementen (buiten C, H, O, N)
C, H, O, N, S, P overvloedig aanwezig in levende wezens
- Sporenelementen:
Mg2+: 2de meest aanwezige kation, ! werking spieren en zenuwen
P: ! E-metabolisme en structuur nucleïnezuren
Cl: altijd in geïoniseerde toestand aanwezig (Cl-)
Na+: belangrijkste kation van extracellulaire vocht
K+: meest aanwezige kation in het menselijk lichaam, belangrijkste kation intracellulaire vocht
Regulatoren vochtgehalte en elektrisch potentiaalverschil (cel en omgeving)
- Een aantal transitiemetalen: biologisch ! omdat hun kationen voorkomen als metalloproteïnen (vb. Hb: Fe ->
Fe2+)
- C: ! bouwelement
Kan zeer sterke bindingen vormen
4 valentie-elektronen: tetraëderstructuur (sp3 gehybridiseerd)
Covalente C-C bindingen
- H / O heeft een 49:25 verhouding: voor elk O-atoom zijn er twee H-atomen (idem met C)
Polymeerstructuur van biomoleculen: monomeren -> polymeer
- Koolhydraten: sachariden -> polysacharide
- Eiwitten: aminozuren -> eiwit
- Nucleïnezuren: nucleotide -> nucleïnezuur
Biomoleculaire hiërarchie
Eenvoudige moleculen vormen de eenheden voor de bouw van complexe structuren.
1. Precursoren: atoom – molecule
2. Metabolieten: ATP
3. Bouwstenen: aminozuren
4. Macromoleculen: eiwit
5. Supramoleculaire complexen: enzymcomplexen
6. Organellen: mitochondria
7. Cel
Moleculaire samenstelling van levend weefsel
- Koolhydraten, lipiden, proteïnen en nucleïnezuren
- Water: kwanitatief veel belangrijker dan alle andere componenten
Menselijk lichaam bestaat +/- 65% uit water
2. Cellen en moleculen
Pro- en eukraryote cellen
Prokaryoten: eenvoudige structuur, eenvoudige kweektechnieken en binnen 1 soort (species) vrij homogeen
1
, Aanvankelijk veel gebruikt voor bestuderen van processen door moleculaire celbiologen.
- E. Coli (bacterie):
Celmembraan: pompen en kanalen voor selectief transport van kleine moleculen
Binnenzijde membraan: elektronentransport voor ATP-productie
Celwand: stevigheid
2de (buitenste) lipidenmembraan
In cytoplasma: cirkelvormig chromosoom en ribosomen (aanmaak eiwitten) + 1000den moleculen
voor meeste celfuncties
! Verschil tussen prokaryoten en eukaryoten: membraan rond genetisch materiaal (DNA) van de eukaryoot (celkern)
(RNA-synthese in kern en eiwitsynthese in cytoplasma) + verschillen in opbouw, grootte en complexiteit.
! Gemiddelde straal eukaryote cel = 10 µm. Gemiddelde straal prokaryote cel = 0,5 µm.
Eukaryoten: compartimentalisatie metabolisme
- Celmembraan omvat cytoplasma met celorganellen (afgeschermd door 1 of meerdere lipidenmembranen)
- Kern met chromosomen (DNA- en RNA-synthese)
- Ribosomen: eiwitsynthese (vrije of RER)
- Glad ER: vetzuursynthese
- Golgi-apparaat = eiwitsorteercentrum
- Lysosomen: hydrolasen (afbraak eiwitten en nucleïnezuren tot bouwstenen)
- Secretiegranulae: eiwitten naar buitenwereld door secretie
- Mitochondriën: dubbele lipidenmembraan met binnenste membraaneiwitten voor
elektronentransportketen (ETK) = celademhaling (ATP-productie) en mitochondriale matrix met
enzymatische oxidatie (aerobe verbanding suikers, vetten en aminozuren)
! Individuele cellen van meercellige eukaryoten zijn heterogeen in vorm en functie.
Mens: vele honderden celtypen die elk gespecialiseerd zijn in 1 of enkele bijzondere taken.
Differentiatie: gespecialiseerd gebruik van delen van de aanwezige erfelijke informatie.
! Individuele cellen van hogere eukaryoten communiceren met elkaar via het uitzenden en opvangen van chemische
signaalmoleculen (signaaltransductie).
Watermoleculen
! rol in levende materie.
- Polariteit en vermogen tot vorming van H-bruggen: ! bijdrage in 3D structuur van vrijwel alle biomoleculen.
- Goed oplosmiddel: kleine polaire moleculaire bouwstenen (AZ, nucleotiden en suikers) +
stofwisselingsproducten.
- Betrokken bij veel chemische reacties in levende cellen.
!: Aantal watermoleculen in een gemiddelde cel : 1014
3. Dimensies
Prefixen SI-eenhedensysteem: G (109 ), M (106 ), k (103), d (10-1), c (10-2 ), m (10-3), µ (10-6 ), n (10-9), p (10-12) , f (10-15)
Lengte (m)
ångström (A) = 10-10 m
Lengte covalente C-C-binding (1,5 A) < glucose (+/- 6 A) < eiwit Hb (globulair) (+/- 65 A) < erytrocyt (7 µm)
- Gewone lichtmicroscoop (resolutie: 2000 A): zelfs de grootste biomoleculen kunnen niet worden bekeken.
- Elektronenmicroscoop (resolutie: +/- 10 A): oppervlakkige structurele informatie over de grootste
biomoleculen kan hiermee verkregen worden.
2
, Vernietigt biologisch materiaal door de krachtige bundel elektronen (verliezen natuurlijke vorm).
- Röntgendiffractie of -kristallografie (resolutie +/- 1 A): 3D structuur van biomoleculen achterhalen
- Cryo-elektronenmicroscopie: verhindert uitdrogen kwetsbare biomoleculen door ultrasnelle invriezing in
vloeibaar ethaan; water ‘stolt’ maar vormt geen ijskristallen.
- Gesofisticeerde beeldanalyse-software: grote reeks foto’s (steeds onder andere hoek van hetzelfde eiwit)
nemen en deze duizenden 2D foto’s samen puzzelen tot 1 3D beeld met resolutie tot op atoomniveau.
- Atomic force microscopy (AFM): oppervlak specimen met zeer hoge resolutie karakteriseren door met een
zeer fijne tip over het oppervlak te lopen. Veranderingen in positie tip -> geregistreerd via de uitwijking van
de laserstraal.
Gedetailleerd beeld van de vorm en afmeting specimen.
Tijd (s)
Verplaatsing elektronenpaar binnen molecuul (1 ps) < vorming covalente binding / conformatieverandering proteïne
(1 ns) < katalytische reacties snelle enzymen / conformatieverandering grote macromoleculen (1 µs) < trage
enzymen (1 ms) VS evolutie van levende organismen
Energie (kJ/mol)
Standaardmaat voor moleculaire interactie: kJ/mol (1 kcal = 4.2 kJ)
Trillingsenergie moleculen bij lichaams T (< 4 kJ/mol) < zwakke niet-covalente bindingen (4-40 kJ/mol) < hydrolyse
terminale fosfaatgroep van ATP (+/- 30 kJ/mol) < meeste covalente bindingen (400 kJ/mol) (niet spontaan lostrillen
bij fysiologische T; alleen verbroken kunnen worden door enzymen en chemische E)
Gemiddelde actieve volwassenen: 9000 kJ E/dag nodig voor onderhoud van de basale en specifieke levensfuncties.
4. Niet-covalente moleculaire interacties
! rol in bijna alle biochemische processen: replicatie erfelijk materiaal, vouwing eiwitten tot complexe 3D structuren,
specifieke herkenning van substraten door hun enzym, binding signaalmolecuul op receptor...
- Reversibel
- Sterk beïnvloed door het al dan niet aanwezig zijn van ionen en water
- Afhankelijk van de onderlinge afstand tussen de interacterende moleculaire structuren
- Zwakke wisselwerking tussen de buitenste elektronen van atomen
1) Elektrostatische interacties of ionbinding (20 kJ/mol)
= Kracht tussen moleculaire groepen met elementaire ladingen (ionen). Afstotend indien beide ladingen hetzelfde
zijn, aantrekkend indien beide ladingen verschillend zijn.
Vb: carboxylgroep en aminogroep, - lading fosfaatgroep DNA en + lading histonen (DNA-bindende eiwitten (Lys,
Arg...)).
Vooral ! bij herkenning / binding tussen biomoleculen, minder voor stabilisatie van proteïnen.
Wet van Coulomb: F = q1 .q2 /r2 . ε
ε : diëlektrische contstante medium (geeft aan hoe gemakkelijk een materiaal kan gepolariseerd worden).
- Grootst in vacuüm (= 1)
- Zwakker in water (= 80): nog steeds relatief groot (mantel watermoleculen schermt ladingen van elkaar af)
2) Dipool-dipool interacties (1-enkele kJ/mol)
- Permanente dipolen (verschil in EN)
- Geïnduceerde (transiënte) dipolen (vanderwaalskrachten)
- Waterstofbruggen
3
, Verschil in EN van atomen onderling: ongelijke verdeling van de buitenste elektronenwolken.
Permanente dipool: partieel negatieve lading en partieel positieve lading.
- Elektrostatische interacties aangaan met zowel ionen als andere permanente dipolen.
- Zwakker dan ion-ion interacties.
Vanderwaals-interacties
Krachten waarbij geïnduceerde dipolen zijn betrokken = vanderwaalskrachten.
- 3 soorten: dipool-dipool interacties, geïnduceerde dipool-dipool interacties en London-dispersiekrachten
- Zwakste van alle niet-covalente krachten
- Talrijkste interacties tussen biomoleculen (altijd aanwezig)
Maximale aantrekking tussen 2 atomen: de afstand tussen de 2 kernen = vanderwaals-contactafstand (som van de 2
vanderwaalsstralen van de 2 betrokken atomen).
- Atomen stoten elkaar zeer sterk af wanneer ze nog dichter dan de vanderwaals-contactafstand komen.
Buitenste elektronenwolken beginnen elkaar dan te overlappen.
- Vanderwaalskracht neemt snel af wanneer de afstand tussen de 2 betrokken atomen amper 1A groter wordt
dan hun contactafstand.
Geïnduceerd dipool: toenadering neutrale molecuulgroep door ion / permanent dipool zorgt voor een tijdelijke
verschuiving van de elektronenwolk rond de neutrale groep.
Maximale E dipool-dipool interactie = 3-10 kJ/mol < ion-ion binding en H-brug
- ! Grotere moleculaire structuren met complementaire vorm: elkaar dicht genoeg naderen voor het aangaan
van een groot aantal bindingen tegelijkertijd
Som individuele dipool-dipool interacties zorgt voor een sterke niet-covalente binding.
- DNA dubbele helix: basenparen op elkaar gestapeld (base stacking; liggen als borden in elkaar) zodat veel
atomen in de basen elkaar naderen tot hun vanderwaals-contactafstand.
3) Waterstofbruggen (12-25 kJ/mol) = speciale vorm van dipool-dipool
= Het gemeenschappelijk delen van een H-atoom door 2 naburige atomen. H wordt covalent gebonden aan een
elektronegatief atoom dat als acceptor fungeert.
F > O > N > S maar vooral met O of N
- H-brugdonor: draagt covalent waterstof
- H-brugacceptor: zuurstof- of stikstofatomen
!: Zowel inter- als intramoleculair, meer specifiek dan de vanderwaalskrachten.
!: Stabilisatie secundaire eiwitstructuur en vorming van basenparen in de dubbelstrengige DNA-keten.
- Juiste onderlinge afstand (donor-acceptor)
- Hoek van de H-brug ! voor zijn sterkte
Krachtigste bindingen: donorgroep, H-atoom en acceptorgroep liggen op een rechte lijn (co-
lineariteit).
Sterk richtingafhankelijk: richting en sterkte zijn afhankelijk van elkaar.
!: De niet-covalente krachten waardoor watermoleculen bijeen worden gehouden zijn: H-bruggen en dipool-dipool
interacties.
5. Water
4
1. Bio-elementen
De meest voorkomende elementen in het lichaam: C, H, O, N
- Mogelijk om covalente bindingen mee aan te gaan (elektronenpaar delen)
- Mens: C, H, O, N ≈ 99% lichaamsgewicht en C,H,O,N,Ca,P,K,S,Cl,Na,Mg ≈ 99,95%
Essentieel voor alle levensvormen: zonder kunnen ze niet overleven
Sporenelementen (buiten C, H, O, N)
C, H, O, N, S, P overvloedig aanwezig in levende wezens
- Sporenelementen:
Mg2+: 2de meest aanwezige kation, ! werking spieren en zenuwen
P: ! E-metabolisme en structuur nucleïnezuren
Cl: altijd in geïoniseerde toestand aanwezig (Cl-)
Na+: belangrijkste kation van extracellulaire vocht
K+: meest aanwezige kation in het menselijk lichaam, belangrijkste kation intracellulaire vocht
Regulatoren vochtgehalte en elektrisch potentiaalverschil (cel en omgeving)
- Een aantal transitiemetalen: biologisch ! omdat hun kationen voorkomen als metalloproteïnen (vb. Hb: Fe ->
Fe2+)
- C: ! bouwelement
Kan zeer sterke bindingen vormen
4 valentie-elektronen: tetraëderstructuur (sp3 gehybridiseerd)
Covalente C-C bindingen
- H / O heeft een 49:25 verhouding: voor elk O-atoom zijn er twee H-atomen (idem met C)
Polymeerstructuur van biomoleculen: monomeren -> polymeer
- Koolhydraten: sachariden -> polysacharide
- Eiwitten: aminozuren -> eiwit
- Nucleïnezuren: nucleotide -> nucleïnezuur
Biomoleculaire hiërarchie
Eenvoudige moleculen vormen de eenheden voor de bouw van complexe structuren.
1. Precursoren: atoom – molecule
2. Metabolieten: ATP
3. Bouwstenen: aminozuren
4. Macromoleculen: eiwit
5. Supramoleculaire complexen: enzymcomplexen
6. Organellen: mitochondria
7. Cel
Moleculaire samenstelling van levend weefsel
- Koolhydraten, lipiden, proteïnen en nucleïnezuren
- Water: kwanitatief veel belangrijker dan alle andere componenten
Menselijk lichaam bestaat +/- 65% uit water
2. Cellen en moleculen
Pro- en eukraryote cellen
Prokaryoten: eenvoudige structuur, eenvoudige kweektechnieken en binnen 1 soort (species) vrij homogeen
1
, Aanvankelijk veel gebruikt voor bestuderen van processen door moleculaire celbiologen.
- E. Coli (bacterie):
Celmembraan: pompen en kanalen voor selectief transport van kleine moleculen
Binnenzijde membraan: elektronentransport voor ATP-productie
Celwand: stevigheid
2de (buitenste) lipidenmembraan
In cytoplasma: cirkelvormig chromosoom en ribosomen (aanmaak eiwitten) + 1000den moleculen
voor meeste celfuncties
! Verschil tussen prokaryoten en eukaryoten: membraan rond genetisch materiaal (DNA) van de eukaryoot (celkern)
(RNA-synthese in kern en eiwitsynthese in cytoplasma) + verschillen in opbouw, grootte en complexiteit.
! Gemiddelde straal eukaryote cel = 10 µm. Gemiddelde straal prokaryote cel = 0,5 µm.
Eukaryoten: compartimentalisatie metabolisme
- Celmembraan omvat cytoplasma met celorganellen (afgeschermd door 1 of meerdere lipidenmembranen)
- Kern met chromosomen (DNA- en RNA-synthese)
- Ribosomen: eiwitsynthese (vrije of RER)
- Glad ER: vetzuursynthese
- Golgi-apparaat = eiwitsorteercentrum
- Lysosomen: hydrolasen (afbraak eiwitten en nucleïnezuren tot bouwstenen)
- Secretiegranulae: eiwitten naar buitenwereld door secretie
- Mitochondriën: dubbele lipidenmembraan met binnenste membraaneiwitten voor
elektronentransportketen (ETK) = celademhaling (ATP-productie) en mitochondriale matrix met
enzymatische oxidatie (aerobe verbanding suikers, vetten en aminozuren)
! Individuele cellen van meercellige eukaryoten zijn heterogeen in vorm en functie.
Mens: vele honderden celtypen die elk gespecialiseerd zijn in 1 of enkele bijzondere taken.
Differentiatie: gespecialiseerd gebruik van delen van de aanwezige erfelijke informatie.
! Individuele cellen van hogere eukaryoten communiceren met elkaar via het uitzenden en opvangen van chemische
signaalmoleculen (signaaltransductie).
Watermoleculen
! rol in levende materie.
- Polariteit en vermogen tot vorming van H-bruggen: ! bijdrage in 3D structuur van vrijwel alle biomoleculen.
- Goed oplosmiddel: kleine polaire moleculaire bouwstenen (AZ, nucleotiden en suikers) +
stofwisselingsproducten.
- Betrokken bij veel chemische reacties in levende cellen.
!: Aantal watermoleculen in een gemiddelde cel : 1014
3. Dimensies
Prefixen SI-eenhedensysteem: G (109 ), M (106 ), k (103), d (10-1), c (10-2 ), m (10-3), µ (10-6 ), n (10-9), p (10-12) , f (10-15)
Lengte (m)
ångström (A) = 10-10 m
Lengte covalente C-C-binding (1,5 A) < glucose (+/- 6 A) < eiwit Hb (globulair) (+/- 65 A) < erytrocyt (7 µm)
- Gewone lichtmicroscoop (resolutie: 2000 A): zelfs de grootste biomoleculen kunnen niet worden bekeken.
- Elektronenmicroscoop (resolutie: +/- 10 A): oppervlakkige structurele informatie over de grootste
biomoleculen kan hiermee verkregen worden.
2
, Vernietigt biologisch materiaal door de krachtige bundel elektronen (verliezen natuurlijke vorm).
- Röntgendiffractie of -kristallografie (resolutie +/- 1 A): 3D structuur van biomoleculen achterhalen
- Cryo-elektronenmicroscopie: verhindert uitdrogen kwetsbare biomoleculen door ultrasnelle invriezing in
vloeibaar ethaan; water ‘stolt’ maar vormt geen ijskristallen.
- Gesofisticeerde beeldanalyse-software: grote reeks foto’s (steeds onder andere hoek van hetzelfde eiwit)
nemen en deze duizenden 2D foto’s samen puzzelen tot 1 3D beeld met resolutie tot op atoomniveau.
- Atomic force microscopy (AFM): oppervlak specimen met zeer hoge resolutie karakteriseren door met een
zeer fijne tip over het oppervlak te lopen. Veranderingen in positie tip -> geregistreerd via de uitwijking van
de laserstraal.
Gedetailleerd beeld van de vorm en afmeting specimen.
Tijd (s)
Verplaatsing elektronenpaar binnen molecuul (1 ps) < vorming covalente binding / conformatieverandering proteïne
(1 ns) < katalytische reacties snelle enzymen / conformatieverandering grote macromoleculen (1 µs) < trage
enzymen (1 ms) VS evolutie van levende organismen
Energie (kJ/mol)
Standaardmaat voor moleculaire interactie: kJ/mol (1 kcal = 4.2 kJ)
Trillingsenergie moleculen bij lichaams T (< 4 kJ/mol) < zwakke niet-covalente bindingen (4-40 kJ/mol) < hydrolyse
terminale fosfaatgroep van ATP (+/- 30 kJ/mol) < meeste covalente bindingen (400 kJ/mol) (niet spontaan lostrillen
bij fysiologische T; alleen verbroken kunnen worden door enzymen en chemische E)
Gemiddelde actieve volwassenen: 9000 kJ E/dag nodig voor onderhoud van de basale en specifieke levensfuncties.
4. Niet-covalente moleculaire interacties
! rol in bijna alle biochemische processen: replicatie erfelijk materiaal, vouwing eiwitten tot complexe 3D structuren,
specifieke herkenning van substraten door hun enzym, binding signaalmolecuul op receptor...
- Reversibel
- Sterk beïnvloed door het al dan niet aanwezig zijn van ionen en water
- Afhankelijk van de onderlinge afstand tussen de interacterende moleculaire structuren
- Zwakke wisselwerking tussen de buitenste elektronen van atomen
1) Elektrostatische interacties of ionbinding (20 kJ/mol)
= Kracht tussen moleculaire groepen met elementaire ladingen (ionen). Afstotend indien beide ladingen hetzelfde
zijn, aantrekkend indien beide ladingen verschillend zijn.
Vb: carboxylgroep en aminogroep, - lading fosfaatgroep DNA en + lading histonen (DNA-bindende eiwitten (Lys,
Arg...)).
Vooral ! bij herkenning / binding tussen biomoleculen, minder voor stabilisatie van proteïnen.
Wet van Coulomb: F = q1 .q2 /r2 . ε
ε : diëlektrische contstante medium (geeft aan hoe gemakkelijk een materiaal kan gepolariseerd worden).
- Grootst in vacuüm (= 1)
- Zwakker in water (= 80): nog steeds relatief groot (mantel watermoleculen schermt ladingen van elkaar af)
2) Dipool-dipool interacties (1-enkele kJ/mol)
- Permanente dipolen (verschil in EN)
- Geïnduceerde (transiënte) dipolen (vanderwaalskrachten)
- Waterstofbruggen
3
, Verschil in EN van atomen onderling: ongelijke verdeling van de buitenste elektronenwolken.
Permanente dipool: partieel negatieve lading en partieel positieve lading.
- Elektrostatische interacties aangaan met zowel ionen als andere permanente dipolen.
- Zwakker dan ion-ion interacties.
Vanderwaals-interacties
Krachten waarbij geïnduceerde dipolen zijn betrokken = vanderwaalskrachten.
- 3 soorten: dipool-dipool interacties, geïnduceerde dipool-dipool interacties en London-dispersiekrachten
- Zwakste van alle niet-covalente krachten
- Talrijkste interacties tussen biomoleculen (altijd aanwezig)
Maximale aantrekking tussen 2 atomen: de afstand tussen de 2 kernen = vanderwaals-contactafstand (som van de 2
vanderwaalsstralen van de 2 betrokken atomen).
- Atomen stoten elkaar zeer sterk af wanneer ze nog dichter dan de vanderwaals-contactafstand komen.
Buitenste elektronenwolken beginnen elkaar dan te overlappen.
- Vanderwaalskracht neemt snel af wanneer de afstand tussen de 2 betrokken atomen amper 1A groter wordt
dan hun contactafstand.
Geïnduceerd dipool: toenadering neutrale molecuulgroep door ion / permanent dipool zorgt voor een tijdelijke
verschuiving van de elektronenwolk rond de neutrale groep.
Maximale E dipool-dipool interactie = 3-10 kJ/mol < ion-ion binding en H-brug
- ! Grotere moleculaire structuren met complementaire vorm: elkaar dicht genoeg naderen voor het aangaan
van een groot aantal bindingen tegelijkertijd
Som individuele dipool-dipool interacties zorgt voor een sterke niet-covalente binding.
- DNA dubbele helix: basenparen op elkaar gestapeld (base stacking; liggen als borden in elkaar) zodat veel
atomen in de basen elkaar naderen tot hun vanderwaals-contactafstand.
3) Waterstofbruggen (12-25 kJ/mol) = speciale vorm van dipool-dipool
= Het gemeenschappelijk delen van een H-atoom door 2 naburige atomen. H wordt covalent gebonden aan een
elektronegatief atoom dat als acceptor fungeert.
F > O > N > S maar vooral met O of N
- H-brugdonor: draagt covalent waterstof
- H-brugacceptor: zuurstof- of stikstofatomen
!: Zowel inter- als intramoleculair, meer specifiek dan de vanderwaalskrachten.
!: Stabilisatie secundaire eiwitstructuur en vorming van basenparen in de dubbelstrengige DNA-keten.
- Juiste onderlinge afstand (donor-acceptor)
- Hoek van de H-brug ! voor zijn sterkte
Krachtigste bindingen: donorgroep, H-atoom en acceptorgroep liggen op een rechte lijn (co-
lineariteit).
Sterk richtingafhankelijk: richting en sterkte zijn afhankelijk van elkaar.
!: De niet-covalente krachten waardoor watermoleculen bijeen worden gehouden zijn: H-bruggen en dipool-dipool
interacties.
5. Water
4
