Biochemistry
H1. Biochemistry: An evolving Science. Pag. 1-25
Biochemie is de studie van de scheikunde van levensprocessen. Omdat alles uit cellen bestaat
(planten, dieren en micro-organismen) kun je suggereren dat ze meer overlap hebben dan dat je in
eerste instantie zou denken. Uit onderzoek van de biochemie blijkt dat op dit niveau alle organismen
veel overeenkomende eigenschappen hebben. Als we het hebben over biologische macromoleculen
dan hebben we het over eiwitten en aminozuren en als we het hebben over metabolieten dan hebben
we het over glycerol en glucose en deze worden getransformeerd tijdens biologische processen.
De biochemie van alle organismen is qua opzet hetzelfde, zie dia. 9, dit komt omdat ze allemaal van
een gemeenschappelijk voorouder afstammen. Daarnaast is bijvoorbeeld de 3D structuur van eiwitten
met dezelfde soort functie bijna gelijk en de grote metabole processen. Alle cellen gebruiken dezelfde
moleculaire systemen; de basisprocessen in alle cellen zijn uniform en bewaard gebleven in de
evolutie. In de meeste gevallen wordt biologische diversiteit verklaard door relatief kleine
aanpassingen (verschillen) van bestaande moleculaire componenten (biomacromoleculen), en niet
door ontwikkeling van compleet nieuwe elementen. Zie dia 13.
Nucleotiden bevatten een N-bevatten ring, een suiker en een fosfaatgroep. DNA bevat het suiker
deoxyribose, RNA het suiker ribose. Het RNA heeft een OH groep op het tweede C atoom, DNA een
H. Aan de 5’ kant zit de Fosfaatgroep, aan de 3’ kant een OH groep. Een DNA molecuul is polair
omdat de ene kant anders is dan de andere kant. Het RNA komt meestal als single-string voor, terwijl
het DNA bijna altijd als een dubbelstrengs molecuul vormt. Ze vormen een helix die twee
polynucleotide ketens bevat die antiparallel lopen t.o.v. Elkaar. Ze worden zo gehouden door
waterstofbruggen tussen de base van beide ketens. DNA is meer stabiel en wordt daarom vooral
gebruikt voor opslag terwijl RNA meestal gebruikt wordt om de informatie te verplaatsen.
Aan deze nucleotiden kunnen verschillende basen zitten; Cytosine (C), Thymine (T) en Uracil (U, ipv
van T in RNA) zijn pyrimidines, Guanine (G) en adenine (A) zijn purine. De G-C binding bevat meer
(3) waterstofbruggen dan de A-T binding (2) en is dus sterker. Nucleotiden dienen als bouwsteen voor
de constructie van nucleïnezuren. Deze zijn gebonden door een covalente fosfordieester binding
tussen de Fosfaatgroep van de suiker van een nucleotide met een O groep aan het suiker van een
andere nucleotide.
De structuur van DNA laat duidelijk zien dat er een nauwe relatie is tussen structuur en functie van
een biomacromolecuul. Zoals op de afbeelding hieronder te zien is hebben de twee verschillende
basenparen dezelfde vorm die past in de dubbele helix. Dat is zeer belangrijk omdat zo de sequentie
niet uitmaakt voor de structuur. Daarnaast is het zo dat de basenpaarvorming de basis vormt voor
het kopiëren van genetische informatie: elke streng doet dienst als mal voor de synthese van de
complementaire streng. Hoe kan het nou dat complementaire DNA-strengen een stabiele dubbele
helix vormen? (chemische interacties) En wat is de drijvende kracht achter deze processen?
(thermodynamica)
,Chemische interacties.
Een covalente binding is de sterkte binding die er is en deze wordt gevormd door een electronenpaar
te delen. Voor de rest van de bindingen zie papieren samenvatting. Iets is een ionbinding als het
verschil in Elektronegatieve waarden tussen de twee atomen groter dan 1.7 is. Zie dummies pag. 81.
Er kunnen achtereenvolgens 2-8-18 electronen in de eerste drie schillen van atomen. Oxidatie is een chemisch
proces waarbij een stof (de reductor) elektronen afgeeft aan een andere stof (de oxidator) waarbij het
oxidatiegetal van de reductor toeneemt. Hoe hoger het oxidatiegetal, hoe minder die kan weggeven. Indien
elektronen opgenomen worden treedt het atoom op als een oxidator. Indien het elektronen afgeeft, treedt het
atoom op als een reductor. Rechtsonder in het periodiek systeem staat hoe de schillen gevuld zijn. Als er nog
plaatsen “leeg” zijn zal een molecuul makkelijk als oxidator op kunnen treden.
Oxidatie is een chemisch proces waarbij een stof (de reductor) elektronen afgeeft aan een andere stof (de oxidator)
waarbij het oxidatiegetal van de reductor toeneemt. Hoe hoger het oxidatiegetal, hoe minder die kan weggeven.
Indien elektronen opgenomen worden treedt het atoom op als een oxidator. Indien het elektronen afgeeft, treedt
het atoom op als een reductor.
Het getal bijvoorbeeld de 2 bij O2 geeft aan dat twee O moleculen een covalente binding aangaan. Dat
geeft dus de verscheinsvorm van een molecuul aan. Een verbinding is polair als er verschillen in
lading zitten elektronen niet eerlijk verdeeld (H-O-H), en apolair als er geen verschillen in lading
zitten O=O.
Een molecuul met resonantiestructuren van ongeveer gelijke energieniveaus is stabieler dan een
molecuul dat geen resonantiestructuren heeft.
Naarst covalente bindingen zijn er nog (1) elektrostatische (ionogene) interacties (gebaseerd op
tegengestelde lading en zie dat er voor ionen die opgelost worden in water veel minder energie in de
binding opgeslagen ligt dan diezelfde ionen in hexaan (apolair)) dia 23). Dit is zo als de ionen dezelfde
afstand tot elkaar moeten hebben.
(2) Waterstofbruggen is een elektrostatische interactie en is verantwoordelijk voor de basenpaar
formatie in de DNA dubbelhelix. Zie pag. 5.De donor groep is de groep waaraan de H het sterkst
gebonden is en de acceptor is diegene waar de H minder sterk aan bindt. Hierdoor wordt de H zelf
positief omdat de elektronen weg worden getrokken. (dia 24),
(3) Van der Waals interacties (dia 25) zijn zwakke tot zeer zwakke elektromagnetische krachten
tussen atomen of moleculen. In ruime zin omvat het begrip alle krachten die niet het gevolg zijn van
covalente bindingen of elektrostatische krachten tussen ionen. Deze krachten kunnen dispersie
krachten, dipoalire interacties of sterische afstoting zijn. Men onderscheidt drie soorten
vanderwaalskrachten:
- De dipool-dipoolinteracties tussen twee permanente dipolen.
- De geïnduceerde dipool-dipoolinteracties tussen een permanente dipool en een geïnduceerde
dipool.
- De Londonkrachten of (London-)dispersiekrachten tussen tijdelijk gepolariseerde moleculen.
, In water vinden de meeste biochemische reacties plaats. Er zijn twee eigenschappen van water die
relevant zijn; het is polair (m.a.w. het bestaat uit twee atomen met verschillende ladingen waardoor
dit niet evenredig over het molecuul is verdeeld). De O2 heeft een hogere elektronegativiteit (geld
altijd) en trekt dus de elektronen naar zich en dus worden de twee H wat positiever. En de cohesie (=
samenhang) tussen watermoleculen is groot door waterstofbruggen (O-H ---- O). Moleculen in een
waterige oplossingen interacteren met water door de vorming van waterstofbruggen en door ion
interacties (=electrostatische reactie van ionen). Water is daarom goed oplosbaar voor polaire en
geladen moleculen.
(4) hydrofobe interacties. Sommige moleculen (apolaire moleculen) kunnen niet meedoen met een
waterstofbrugbinding of ion interacties. De interacties van apolaire moleculen met water zijn niet zo
favoriett als de interacties tussen water moleculen zelf. Deze hydrofobe interacties vinden plaats als
een apolair molecuul zo draait dat het de hydrofobe kant weg wil houden van het water. Als een
hydrofobe stof wordt toegevoegd wordt het water instabiel 2 aparte lagen. Dia 31&32. Voor kleine
moleculen zoals H2O, O2 en CO2 vormt het celmembraan geen barriére.
Het hebben van waterstofbruggen is enorm belangrijk in biochemische processen; ze zijn zwak
genoeg om reversibel gebroken te worden in biochemische processen maar ze zijn wel sterk genoeg
om een specifieke structuur te stabiliseren zoals bijvoorbeeld de dubbele helix van het DNA.
Alle vier de interacties bespelen een rol.
1. Is ook
verantwoordelijk voor de major groove in het DNA. 2. Is niet belangrijk omdat een single strand DNA
anders met watermoleculen waterstofbruggen maakt. Als een niet complementaire streng een
binding aan wil gaan gebeurt dat niet natuurlijk omdat er niet evenveel waterstofbruggen voor terug
komen energetisch niet favoriet. 3. Vooral de pakking van basenparen op elkaar. 4. Ook een groot
effect voor de pakking van basenparen. Het zorgt ervoor dat de hydrofobe (apolaire) groepen van de
basen (de methyl (CH2/3) groepen aan de suikers niet in het water liggen maar contact met elkaar
hebben.
H1. Biochemistry: An evolving Science. Pag. 1-25
Biochemie is de studie van de scheikunde van levensprocessen. Omdat alles uit cellen bestaat
(planten, dieren en micro-organismen) kun je suggereren dat ze meer overlap hebben dan dat je in
eerste instantie zou denken. Uit onderzoek van de biochemie blijkt dat op dit niveau alle organismen
veel overeenkomende eigenschappen hebben. Als we het hebben over biologische macromoleculen
dan hebben we het over eiwitten en aminozuren en als we het hebben over metabolieten dan hebben
we het over glycerol en glucose en deze worden getransformeerd tijdens biologische processen.
De biochemie van alle organismen is qua opzet hetzelfde, zie dia. 9, dit komt omdat ze allemaal van
een gemeenschappelijk voorouder afstammen. Daarnaast is bijvoorbeeld de 3D structuur van eiwitten
met dezelfde soort functie bijna gelijk en de grote metabole processen. Alle cellen gebruiken dezelfde
moleculaire systemen; de basisprocessen in alle cellen zijn uniform en bewaard gebleven in de
evolutie. In de meeste gevallen wordt biologische diversiteit verklaard door relatief kleine
aanpassingen (verschillen) van bestaande moleculaire componenten (biomacromoleculen), en niet
door ontwikkeling van compleet nieuwe elementen. Zie dia 13.
Nucleotiden bevatten een N-bevatten ring, een suiker en een fosfaatgroep. DNA bevat het suiker
deoxyribose, RNA het suiker ribose. Het RNA heeft een OH groep op het tweede C atoom, DNA een
H. Aan de 5’ kant zit de Fosfaatgroep, aan de 3’ kant een OH groep. Een DNA molecuul is polair
omdat de ene kant anders is dan de andere kant. Het RNA komt meestal als single-string voor, terwijl
het DNA bijna altijd als een dubbelstrengs molecuul vormt. Ze vormen een helix die twee
polynucleotide ketens bevat die antiparallel lopen t.o.v. Elkaar. Ze worden zo gehouden door
waterstofbruggen tussen de base van beide ketens. DNA is meer stabiel en wordt daarom vooral
gebruikt voor opslag terwijl RNA meestal gebruikt wordt om de informatie te verplaatsen.
Aan deze nucleotiden kunnen verschillende basen zitten; Cytosine (C), Thymine (T) en Uracil (U, ipv
van T in RNA) zijn pyrimidines, Guanine (G) en adenine (A) zijn purine. De G-C binding bevat meer
(3) waterstofbruggen dan de A-T binding (2) en is dus sterker. Nucleotiden dienen als bouwsteen voor
de constructie van nucleïnezuren. Deze zijn gebonden door een covalente fosfordieester binding
tussen de Fosfaatgroep van de suiker van een nucleotide met een O groep aan het suiker van een
andere nucleotide.
De structuur van DNA laat duidelijk zien dat er een nauwe relatie is tussen structuur en functie van
een biomacromolecuul. Zoals op de afbeelding hieronder te zien is hebben de twee verschillende
basenparen dezelfde vorm die past in de dubbele helix. Dat is zeer belangrijk omdat zo de sequentie
niet uitmaakt voor de structuur. Daarnaast is het zo dat de basenpaarvorming de basis vormt voor
het kopiëren van genetische informatie: elke streng doet dienst als mal voor de synthese van de
complementaire streng. Hoe kan het nou dat complementaire DNA-strengen een stabiele dubbele
helix vormen? (chemische interacties) En wat is de drijvende kracht achter deze processen?
(thermodynamica)
,Chemische interacties.
Een covalente binding is de sterkte binding die er is en deze wordt gevormd door een electronenpaar
te delen. Voor de rest van de bindingen zie papieren samenvatting. Iets is een ionbinding als het
verschil in Elektronegatieve waarden tussen de twee atomen groter dan 1.7 is. Zie dummies pag. 81.
Er kunnen achtereenvolgens 2-8-18 electronen in de eerste drie schillen van atomen. Oxidatie is een chemisch
proces waarbij een stof (de reductor) elektronen afgeeft aan een andere stof (de oxidator) waarbij het
oxidatiegetal van de reductor toeneemt. Hoe hoger het oxidatiegetal, hoe minder die kan weggeven. Indien
elektronen opgenomen worden treedt het atoom op als een oxidator. Indien het elektronen afgeeft, treedt het
atoom op als een reductor. Rechtsonder in het periodiek systeem staat hoe de schillen gevuld zijn. Als er nog
plaatsen “leeg” zijn zal een molecuul makkelijk als oxidator op kunnen treden.
Oxidatie is een chemisch proces waarbij een stof (de reductor) elektronen afgeeft aan een andere stof (de oxidator)
waarbij het oxidatiegetal van de reductor toeneemt. Hoe hoger het oxidatiegetal, hoe minder die kan weggeven.
Indien elektronen opgenomen worden treedt het atoom op als een oxidator. Indien het elektronen afgeeft, treedt
het atoom op als een reductor.
Het getal bijvoorbeeld de 2 bij O2 geeft aan dat twee O moleculen een covalente binding aangaan. Dat
geeft dus de verscheinsvorm van een molecuul aan. Een verbinding is polair als er verschillen in
lading zitten elektronen niet eerlijk verdeeld (H-O-H), en apolair als er geen verschillen in lading
zitten O=O.
Een molecuul met resonantiestructuren van ongeveer gelijke energieniveaus is stabieler dan een
molecuul dat geen resonantiestructuren heeft.
Naarst covalente bindingen zijn er nog (1) elektrostatische (ionogene) interacties (gebaseerd op
tegengestelde lading en zie dat er voor ionen die opgelost worden in water veel minder energie in de
binding opgeslagen ligt dan diezelfde ionen in hexaan (apolair)) dia 23). Dit is zo als de ionen dezelfde
afstand tot elkaar moeten hebben.
(2) Waterstofbruggen is een elektrostatische interactie en is verantwoordelijk voor de basenpaar
formatie in de DNA dubbelhelix. Zie pag. 5.De donor groep is de groep waaraan de H het sterkst
gebonden is en de acceptor is diegene waar de H minder sterk aan bindt. Hierdoor wordt de H zelf
positief omdat de elektronen weg worden getrokken. (dia 24),
(3) Van der Waals interacties (dia 25) zijn zwakke tot zeer zwakke elektromagnetische krachten
tussen atomen of moleculen. In ruime zin omvat het begrip alle krachten die niet het gevolg zijn van
covalente bindingen of elektrostatische krachten tussen ionen. Deze krachten kunnen dispersie
krachten, dipoalire interacties of sterische afstoting zijn. Men onderscheidt drie soorten
vanderwaalskrachten:
- De dipool-dipoolinteracties tussen twee permanente dipolen.
- De geïnduceerde dipool-dipoolinteracties tussen een permanente dipool en een geïnduceerde
dipool.
- De Londonkrachten of (London-)dispersiekrachten tussen tijdelijk gepolariseerde moleculen.
, In water vinden de meeste biochemische reacties plaats. Er zijn twee eigenschappen van water die
relevant zijn; het is polair (m.a.w. het bestaat uit twee atomen met verschillende ladingen waardoor
dit niet evenredig over het molecuul is verdeeld). De O2 heeft een hogere elektronegativiteit (geld
altijd) en trekt dus de elektronen naar zich en dus worden de twee H wat positiever. En de cohesie (=
samenhang) tussen watermoleculen is groot door waterstofbruggen (O-H ---- O). Moleculen in een
waterige oplossingen interacteren met water door de vorming van waterstofbruggen en door ion
interacties (=electrostatische reactie van ionen). Water is daarom goed oplosbaar voor polaire en
geladen moleculen.
(4) hydrofobe interacties. Sommige moleculen (apolaire moleculen) kunnen niet meedoen met een
waterstofbrugbinding of ion interacties. De interacties van apolaire moleculen met water zijn niet zo
favoriett als de interacties tussen water moleculen zelf. Deze hydrofobe interacties vinden plaats als
een apolair molecuul zo draait dat het de hydrofobe kant weg wil houden van het water. Als een
hydrofobe stof wordt toegevoegd wordt het water instabiel 2 aparte lagen. Dia 31&32. Voor kleine
moleculen zoals H2O, O2 en CO2 vormt het celmembraan geen barriére.
Het hebben van waterstofbruggen is enorm belangrijk in biochemische processen; ze zijn zwak
genoeg om reversibel gebroken te worden in biochemische processen maar ze zijn wel sterk genoeg
om een specifieke structuur te stabiliseren zoals bijvoorbeeld de dubbele helix van het DNA.
Alle vier de interacties bespelen een rol.
1. Is ook
verantwoordelijk voor de major groove in het DNA. 2. Is niet belangrijk omdat een single strand DNA
anders met watermoleculen waterstofbruggen maakt. Als een niet complementaire streng een
binding aan wil gaan gebeurt dat niet natuurlijk omdat er niet evenveel waterstofbruggen voor terug
komen energetisch niet favoriet. 3. Vooral de pakking van basenparen op elkaar. 4. Ook een groot
effect voor de pakking van basenparen. Het zorgt ervoor dat de hydrofobe (apolaire) groepen van de
basen (de methyl (CH2/3) groepen aan de suikers niet in het water liggen maar contact met elkaar
hebben.
