DE CHEMISCHE CONTEXT VAN LEVEN
Inleiding
- Biologie is een multidisciplinaire wetenschap
- Basiswetten uit fysica en chemie zijn van toepassing op levende organismen
- Vb: “devil’s gardens” in het Amazonewoud
Wie onderhoudt er de monoculturen (= dichte vegetaties van één soort, laat geen anderen toe) van
Duroia hirsuta?
➔ Experiment => mieren injecteren mierenzuur HCOOH in bladeren van andere bomen wat tot sterfte
van bomen leidt
Materie bestaat uit chemische elementen in pure vorm en in combinaties ervan
- Organismen bestaan uit materie
- Materie is alles dat ruimte inneemt en massa heeft
Elementen en verbindingen
- Materie bestaat uit elementen (atomen…)
- Een element: substantie die niet kan worden verbroken tot andere substanties via chemische reacties
- Een verbinding: substantie uit twee of meerdere elementen in vaste verhouding
- Eigenschappen van een verbinding kunnen verschillen met die van afzonderlijke elementen
Vb. Na(vast) + Cl (vloeistof) → NaCl (vast)
Elementen van leven
- De natuur bevat 92 elementen
- 20-25% daarvan = essentieel voor leven
Mens: 25
Planten: 17
- Levende organismen bestaan uit >90% uit C, H en O(, N = bij mens)
- Essentiële elementen for groei en overleving van planten
In elke plant: C, O, H
Macronutriënten: N, K, Ca, Mg, P, S
Micronutriënten: Cl, Fe, Mn, B, Zn, Cu, Ni, Mo
Voor sommige planten: Na, Co, Si
- vb. jodiumgebrek
opgezwollen schildklier (Kropgezwel)
jodiumsupplementen innemen
- vb. aardappelplant met of zonder stikstof-deficiëntie
met: plant groei goed, alle elementen zijn goed aanwezig
zonder: plant groei heel traag en ongezond: maar één element N weg
Toxische elementen
- Sommige elementen zijn standaard toxisch
Bv. As voor mensen
- Sommige essentiële elementen kunnen toxisch worden bij te hoge concentratie
Bv. Zn of Cu voor planten
Bv. plantengemeenschappen van serpentine bodems of zinkviooltje dat aangepast is aan hoge c Zn in
grond
[1]
,Atomische structuur bepaalt gedrag van een element
- Elk element bestaat uit unieke atomen
- Atomen bestaan uit subatomische “deeltjes”
Neutronen (zonder elektrische lading)
Protonen (pos. elek. lading)
Elektronen (neg. lading)
- Neutronen + protonen =
atomische nucleus
bepaalt massa van atoom
hebben “identieke” massa (1,7 x 10-24 g) (daltons)
Atoomgetal en massagetal
- Atomen van verschillende elementen verschillen in aantal subatomische deeltjes
- Atoomgetal = aantal protonen in nucleus
- Massagetal = aantal protonen + neutronen
- Atoomgewicht = massagetal
Isotopen
- Atomen van een element met hetzelfde aantal protonen, maar verschillend aantal neutronen
Bv. 12C en 13C
- Meesten zijn stabiel: neigen niet tot verliezen van deeltjes
- Radioactieve isotopen zijn labiel: vervallen spontaan waarbij deeltjes/energie w afgegeven
- Functie voor ons: biologische processen onderzoeken
Bv. traceren van atomen tijdens metabolische processen: optimale temperatuur voor DNA synthese?
Bv. diagnose van ziekten zoals kanker:
Een zone met verhoogd niveau van radioactief-gelabelled glucose: indicatie voor verhoogde
metabolische activiteit + kanker
Bv. onderzoek naar “facilitatie” van bomen voor er onder groeiende planten (water voorziening)
Bv. onderzoek naar dieet van verschillende herbivoorsoorten in Zambia
Energieniveaus van elektronen
- Energie = mogelijkheid om arbeid te verrichten
- Potentiële energie = energie die materie heeft d.m.v. zijn locatie/structuur
Bv. bal van een trap gooien
- Elektronen v/e atoom verschillen in hoeveelheid potentiële E, afhankelijk van hun positie t.o.v. de nucleus
Hoe verder van kern, hoe hoger pot E
- Energieniveaus/energieschalen = verschillende staten van pot. E die elektronen van een atoom kunnen
bezitten
Elektronenverdeling en chemische eigenschappen
- Chemisch gedrag atoom bepaald door verdeling elektronen in elektronenschalen
- 1e schaal: max 2 elektronen, 2e en 2e schalen: max 8 elek
- Elke elektronenschaal: specifiek aantal orbitalen (= 3D ruimte waarbinnen een elektron 90% v/d tijd verblijft)
- Buitenste schaal: valentieschaal met valentie-elektronen
- Elektronen bezetten liefst afzonderlijke orbitalen binnen valentieschaal, tot gedwongen tot gedeelde
orbitalen (max. 2 elektr/orbitaal)
- Reactiviteit van atomen hangt af van aanwezigheid ongepaarde elektronen in één of meer orbitalen in
valentieschaal
- Chemisch gedrag atoom hangt dus vooral af van aantal valentie-elektronen
- PSE gerangschikt volgens elektronenverdeling in elektronenschalen:
Eerste 18 elementen:
[2]
, Dezelfde rij = dezelfde schalen
1e schaal: max 2 elek, 2 e en 3e schaal: max 8
Van links naar rechts: toename elektronen buitenste schaal
Onder elkaar: gelijk aantal elektronen in buitenste schaal
- Chemisch inert: volle valentieschaal
Reageert niet of amper met andere chemische elementen
Bv. Neon met twee gevulde schalen
Atomen combineren tot moleculen door chemische binding
- Atomen met onvolledige valentieschalen interageren door deling of transfer van valentie-elektronen
Resultaat: chemische binding: atomen dicht bijeen, samengehouden door aantrekkingskracht
Covalente binding
- Sterke binding
- Tussen atomen van versch/hetzelfde element
- 2 atomen delen 1 paar valentie-elektronen
Vullen van hun valentieschalen
- Molecuul bestaat uit atomen, samengehouden door covalente bindingen
- Enkele binding: 1 paar valentie-elektronen gedeeld
Kan ook: meerdere enkele bindingen (bv. H2O)
- Dubbele binding: 2 paren valentie-elektronen gedeeld
❖ Structuurformule: H --- H
❖ Molecuulformule: H2
- Aantrekkingskracht niet altijd even groot tussen atomen! (elektronegativiteit)
- Sterke EN: gedeelde elektronen naar zich toe trekken
- Apolaire covalente binding: elektronen gelijk verdeeld
- Polaire covalente binding: één atoom sterker dan andere => elektronen niet gelijk
verdeeld
Veroorzaakt partieel positieve en negatieve lading binnen verbinding
Bv. H2O: O trekt sterker aan H
Ionbinding
- 2 atomen zijn erg ongelijk in aantrekken van valentie-elektronen (EN)
Overdracht elektron van ene naar andere atoom (naar sterkste EN)
Bv. transfer elektron van natrium naar chloor
Ervoor: beide atomen neutraal qua lading
Erna: beide atomen een lading
= ion: w tot elkaar aangetrokken voor een
binding te ondergaan
< kation: positief geladen
< anion: negatief geladen
- Zouten = ionbindingen
Bv. Natriumchloride
Vaak als kristallen in natuur teruggevonden
ionrooster
[3]
, Zwakke chemische bindingen
- Zwakke, kortstondige bindingen tussen moleculen = belangrijk voor sommige biologische processen
- Bv. ionbinding in water, waterstofbruggen en Van der Waals interacties
- Beïnvloeden bv. vorm van grote moleculen en helpen moleculen aan elkaar te koppelen
- Individueel zwak, maar collectief sterk
Waterstofbruggen
- Gevormd wnr een waterstofatoom, covalent gebonden aan een elektronegatief atoom, bindt met een ander
EN atoom
In levende cellen: O en N
- Waterstofatoom is partieel positief geladen door polaire covalente binding
Aangetrokken door negatieve lading
Van der Waals interacties
- Moleculen met apolaire cov. binding kunnen tijdelijk “hot spots” hebben van pos/neg lading wanneer
elektronen asymmetrisch verdeeld zijn in moleculen
- Aantrekking tussen moleculen: vindt plaats door deze steeds veranderende “hot spots” van ladingen, enkel
indien atomen en moleculen erg dicht bij elkaar komen
- Bv. interactie moleculen van gekko’s teenharen en die van muuroppervlak
Vorm en functie van moleculen
- 3D vorm molecule = belangr voor functie in een cel
- Bepaald door positie valentie-orbitale van atomen die betrokken zijn bij de binding
- Covalente binding: orbitalen herschikken zich in de valentieschaal
- Molecule met 2 atomen = lineair
- Meerdere atomen = complexere vorm
- Bij atomen met elektronen in s en p orbitalen: hybridisatie van orbitalen naar 4 nieuwe orbitalen met
tetraëdervorm
- Biologische moleculen herkennen en interageren met elkaar o.b.v. moleculaire vorm
Bv. signaalmoleculen van een versturend neuron hebben specifieke vormen die passen in vormen van
receptormoleculen aan het opp van ontvangende cel
- Moleculen met gelijkende vormen kunnen op dezelfde manier interageren en vergelijkbare biologische
effecten veroorzaken
Bv. morfine en heroïne lijken qua vorm op endorfinen => op dezelfde receptoren kunnen binden =>
verlichting van pijn/euforie
Chemische reacties vormen en verbreken chemische bindingen
- Bij chemische reacties worden verbindingen verbroken en nieuwe gevormd
- Reactanten = startende moleculen; producten = eindmoleculen
- Atomen in reactanten zijn evenredig (balans) met die van producten (wet van Lavoisier)
- Ze zijn omkeerbaar
Bv. fotosynthese ademhaling
- Chemisch evenwicht: snelheid voorwaartse en terugreactie gelijk
[4]
Inleiding
- Biologie is een multidisciplinaire wetenschap
- Basiswetten uit fysica en chemie zijn van toepassing op levende organismen
- Vb: “devil’s gardens” in het Amazonewoud
Wie onderhoudt er de monoculturen (= dichte vegetaties van één soort, laat geen anderen toe) van
Duroia hirsuta?
➔ Experiment => mieren injecteren mierenzuur HCOOH in bladeren van andere bomen wat tot sterfte
van bomen leidt
Materie bestaat uit chemische elementen in pure vorm en in combinaties ervan
- Organismen bestaan uit materie
- Materie is alles dat ruimte inneemt en massa heeft
Elementen en verbindingen
- Materie bestaat uit elementen (atomen…)
- Een element: substantie die niet kan worden verbroken tot andere substanties via chemische reacties
- Een verbinding: substantie uit twee of meerdere elementen in vaste verhouding
- Eigenschappen van een verbinding kunnen verschillen met die van afzonderlijke elementen
Vb. Na(vast) + Cl (vloeistof) → NaCl (vast)
Elementen van leven
- De natuur bevat 92 elementen
- 20-25% daarvan = essentieel voor leven
Mens: 25
Planten: 17
- Levende organismen bestaan uit >90% uit C, H en O(, N = bij mens)
- Essentiële elementen for groei en overleving van planten
In elke plant: C, O, H
Macronutriënten: N, K, Ca, Mg, P, S
Micronutriënten: Cl, Fe, Mn, B, Zn, Cu, Ni, Mo
Voor sommige planten: Na, Co, Si
- vb. jodiumgebrek
opgezwollen schildklier (Kropgezwel)
jodiumsupplementen innemen
- vb. aardappelplant met of zonder stikstof-deficiëntie
met: plant groei goed, alle elementen zijn goed aanwezig
zonder: plant groei heel traag en ongezond: maar één element N weg
Toxische elementen
- Sommige elementen zijn standaard toxisch
Bv. As voor mensen
- Sommige essentiële elementen kunnen toxisch worden bij te hoge concentratie
Bv. Zn of Cu voor planten
Bv. plantengemeenschappen van serpentine bodems of zinkviooltje dat aangepast is aan hoge c Zn in
grond
[1]
,Atomische structuur bepaalt gedrag van een element
- Elk element bestaat uit unieke atomen
- Atomen bestaan uit subatomische “deeltjes”
Neutronen (zonder elektrische lading)
Protonen (pos. elek. lading)
Elektronen (neg. lading)
- Neutronen + protonen =
atomische nucleus
bepaalt massa van atoom
hebben “identieke” massa (1,7 x 10-24 g) (daltons)
Atoomgetal en massagetal
- Atomen van verschillende elementen verschillen in aantal subatomische deeltjes
- Atoomgetal = aantal protonen in nucleus
- Massagetal = aantal protonen + neutronen
- Atoomgewicht = massagetal
Isotopen
- Atomen van een element met hetzelfde aantal protonen, maar verschillend aantal neutronen
Bv. 12C en 13C
- Meesten zijn stabiel: neigen niet tot verliezen van deeltjes
- Radioactieve isotopen zijn labiel: vervallen spontaan waarbij deeltjes/energie w afgegeven
- Functie voor ons: biologische processen onderzoeken
Bv. traceren van atomen tijdens metabolische processen: optimale temperatuur voor DNA synthese?
Bv. diagnose van ziekten zoals kanker:
Een zone met verhoogd niveau van radioactief-gelabelled glucose: indicatie voor verhoogde
metabolische activiteit + kanker
Bv. onderzoek naar “facilitatie” van bomen voor er onder groeiende planten (water voorziening)
Bv. onderzoek naar dieet van verschillende herbivoorsoorten in Zambia
Energieniveaus van elektronen
- Energie = mogelijkheid om arbeid te verrichten
- Potentiële energie = energie die materie heeft d.m.v. zijn locatie/structuur
Bv. bal van een trap gooien
- Elektronen v/e atoom verschillen in hoeveelheid potentiële E, afhankelijk van hun positie t.o.v. de nucleus
Hoe verder van kern, hoe hoger pot E
- Energieniveaus/energieschalen = verschillende staten van pot. E die elektronen van een atoom kunnen
bezitten
Elektronenverdeling en chemische eigenschappen
- Chemisch gedrag atoom bepaald door verdeling elektronen in elektronenschalen
- 1e schaal: max 2 elektronen, 2e en 2e schalen: max 8 elek
- Elke elektronenschaal: specifiek aantal orbitalen (= 3D ruimte waarbinnen een elektron 90% v/d tijd verblijft)
- Buitenste schaal: valentieschaal met valentie-elektronen
- Elektronen bezetten liefst afzonderlijke orbitalen binnen valentieschaal, tot gedwongen tot gedeelde
orbitalen (max. 2 elektr/orbitaal)
- Reactiviteit van atomen hangt af van aanwezigheid ongepaarde elektronen in één of meer orbitalen in
valentieschaal
- Chemisch gedrag atoom hangt dus vooral af van aantal valentie-elektronen
- PSE gerangschikt volgens elektronenverdeling in elektronenschalen:
Eerste 18 elementen:
[2]
, Dezelfde rij = dezelfde schalen
1e schaal: max 2 elek, 2 e en 3e schaal: max 8
Van links naar rechts: toename elektronen buitenste schaal
Onder elkaar: gelijk aantal elektronen in buitenste schaal
- Chemisch inert: volle valentieschaal
Reageert niet of amper met andere chemische elementen
Bv. Neon met twee gevulde schalen
Atomen combineren tot moleculen door chemische binding
- Atomen met onvolledige valentieschalen interageren door deling of transfer van valentie-elektronen
Resultaat: chemische binding: atomen dicht bijeen, samengehouden door aantrekkingskracht
Covalente binding
- Sterke binding
- Tussen atomen van versch/hetzelfde element
- 2 atomen delen 1 paar valentie-elektronen
Vullen van hun valentieschalen
- Molecuul bestaat uit atomen, samengehouden door covalente bindingen
- Enkele binding: 1 paar valentie-elektronen gedeeld
Kan ook: meerdere enkele bindingen (bv. H2O)
- Dubbele binding: 2 paren valentie-elektronen gedeeld
❖ Structuurformule: H --- H
❖ Molecuulformule: H2
- Aantrekkingskracht niet altijd even groot tussen atomen! (elektronegativiteit)
- Sterke EN: gedeelde elektronen naar zich toe trekken
- Apolaire covalente binding: elektronen gelijk verdeeld
- Polaire covalente binding: één atoom sterker dan andere => elektronen niet gelijk
verdeeld
Veroorzaakt partieel positieve en negatieve lading binnen verbinding
Bv. H2O: O trekt sterker aan H
Ionbinding
- 2 atomen zijn erg ongelijk in aantrekken van valentie-elektronen (EN)
Overdracht elektron van ene naar andere atoom (naar sterkste EN)
Bv. transfer elektron van natrium naar chloor
Ervoor: beide atomen neutraal qua lading
Erna: beide atomen een lading
= ion: w tot elkaar aangetrokken voor een
binding te ondergaan
< kation: positief geladen
< anion: negatief geladen
- Zouten = ionbindingen
Bv. Natriumchloride
Vaak als kristallen in natuur teruggevonden
ionrooster
[3]
, Zwakke chemische bindingen
- Zwakke, kortstondige bindingen tussen moleculen = belangrijk voor sommige biologische processen
- Bv. ionbinding in water, waterstofbruggen en Van der Waals interacties
- Beïnvloeden bv. vorm van grote moleculen en helpen moleculen aan elkaar te koppelen
- Individueel zwak, maar collectief sterk
Waterstofbruggen
- Gevormd wnr een waterstofatoom, covalent gebonden aan een elektronegatief atoom, bindt met een ander
EN atoom
In levende cellen: O en N
- Waterstofatoom is partieel positief geladen door polaire covalente binding
Aangetrokken door negatieve lading
Van der Waals interacties
- Moleculen met apolaire cov. binding kunnen tijdelijk “hot spots” hebben van pos/neg lading wanneer
elektronen asymmetrisch verdeeld zijn in moleculen
- Aantrekking tussen moleculen: vindt plaats door deze steeds veranderende “hot spots” van ladingen, enkel
indien atomen en moleculen erg dicht bij elkaar komen
- Bv. interactie moleculen van gekko’s teenharen en die van muuroppervlak
Vorm en functie van moleculen
- 3D vorm molecule = belangr voor functie in een cel
- Bepaald door positie valentie-orbitale van atomen die betrokken zijn bij de binding
- Covalente binding: orbitalen herschikken zich in de valentieschaal
- Molecule met 2 atomen = lineair
- Meerdere atomen = complexere vorm
- Bij atomen met elektronen in s en p orbitalen: hybridisatie van orbitalen naar 4 nieuwe orbitalen met
tetraëdervorm
- Biologische moleculen herkennen en interageren met elkaar o.b.v. moleculaire vorm
Bv. signaalmoleculen van een versturend neuron hebben specifieke vormen die passen in vormen van
receptormoleculen aan het opp van ontvangende cel
- Moleculen met gelijkende vormen kunnen op dezelfde manier interageren en vergelijkbare biologische
effecten veroorzaken
Bv. morfine en heroïne lijken qua vorm op endorfinen => op dezelfde receptoren kunnen binden =>
verlichting van pijn/euforie
Chemische reacties vormen en verbreken chemische bindingen
- Bij chemische reacties worden verbindingen verbroken en nieuwe gevormd
- Reactanten = startende moleculen; producten = eindmoleculen
- Atomen in reactanten zijn evenredig (balans) met die van producten (wet van Lavoisier)
- Ze zijn omkeerbaar
Bv. fotosynthese ademhaling
- Chemisch evenwicht: snelheid voorwaartse en terugreactie gelijk
[4]
