BIOCHEMIE: ALGEMENE BIOCHEMIE
BCAA’s = branched chain amino acids
- 20 aminozuren als bouwsteen van eiwitten -> 9 niet zelf synthetiseren
- 3 als voedingssuplement toepassen (doel: heropbouw van spiereiwit versnellen na inspanning)
INLEIDING
1 BIOMOLECULEN ZIJN ORGANISCHE (MACRO)MOLECULEN
Biochemie: bestuderen van biomoleculen (moleculen van het leven)
ð Kleine (eenvoudige suikers, vitaminen, hormonen) tot grote moleculen (eiwitten, nucleïnezuren)
ð Hoofdelementen: koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, zwavel en fosfor
! Vaak voorgesteld met skeletvoorstellingen (hoekpunt of eindpunt = koolstof)
ð Functie van biomoleculen hangt samen met driedimensionale vorm
Werking begrijpen door chemische opbouw, driedimensionale structuur (vorm) en manier waarop ze met
elkaar of met andere moleculen grotere eenheden vormen (complexen, supremoleculaire structuren)
ð Interactie van chemische aard (covalente en niet-covalente chemische bindingen)
2 OVERZICHT VAN DRIE BIOPOLYMEREREN: EIWITTEN, NUCLEÏNEZUREN EN POLYSACHARIDEN
4 Hoofdtypes: eiwitten, nucleïnezuren, polysachariden (complexe suikers) en vetten (of lipiden)
Biomoleculen (macromoleculen) Bouwsteen (monomeer, covalent gebonden)
Eiwitten Aminozuren (alfa-aminocarbonzuren)
Polysacchariden Monosacchariden (eenvoudige suikers)
Nucleïnezuren DNA/RNA (erfelijk materiaal) Nucleotiden (suiker + base + fosfaatgroepen)
3 biopolymeren -> eiwitten, nucleïnezuren en polysacchariden
ð Covalent binden van stabiele eenheden of monomeren
- Homobiopolymeren: 1 type monomeer
- Heterobiopolymeren: verschillende bouwstenen (eiwitten en nucleïnezuren)
Monosacchariden
- Moleculen die we kennen als eenvoudige suikers (glucose, fructose…)
- Disacchariden = 2 suikermoleculen covalent gebonden (maltose, lactose)
- Polysacchariden = 100-1000’en suikermoleculen covalent gebonden (zetmeel, eigen
energiereserve)
Eiwitten/proteïnen/polypeptiden
- Aminozuren als bouwstenen, als ketting op elkaar gekoppeld (20, verschillen in R-groep)
- Specifieke partnerinteracties met elkaar en met kleinere moleculen
- Enzymen = speciale groep eiwitten, chemische reacties katalyseren
Nucleïnezuren (DNA en RNA)
- Nucleotide ATP (adenosinetrifosfaat) -> bouwsteen erfelijk materiaal + energiedrager
1
,Lipiden (vetten)
- Kleinere moleculen, geen polymeren
- Essentieel als energiebron en vormen via zwakke kracht belangrijke complexe structuren
- Supramoleculaire structuren vormen via zwakke (niet-covalente) krachten
3 HET BELANG VAN NIET-COVALENTE AANTREKKINGSKRACHTEN IN DE STRUCTUUR,
STABILITEIT EN FUNCTIE VAN BIOMOLECULEN
Basisopbouw polymere ketens van macromoleculaire biopolymeren -> covalente bindingen essentieel
- Functie -> niet-covalente, zwakke elektrostatische aantrekkingskrachten tussen delen moleculen
ð Zwakke krachten gebruikt in stabilistatie van vorm en structuur
- Functioneel DNA: dubbelhelix met 2 lange polymere nucleotideketens -> via H-bruggen samen
ð Zwakke krachten in communicatie met andere biomoleculen (functie)
- Eiwitten complexen vormen met andere moleculen door zwakke aantrekkingskrachten ter hoogte
van contactoppervlak tussen partnermoleculen
= moleculaire herkenning (efficiënte en specifieke interactie, intra- en extra cellulair)
ð Moleculaire herkenning steunt op aanwezigheid van chemische groepen met bepaalde eigenschappen
op oppervlak van biomoleculen (= functionele groepen)
Voorbeeld: specifieke interactie insuline-hormoon met ‘receptor’-eiwit
- Insuline: klein eiwit, regulator van bloedsuikerniveau
- Receptor-eiwit: groter eiwit, op celmembraan, ontvangt extracellulaire signalen
ð Interactie insuline – receptor: cellen aanzetten tot opname glucose bij te hoge concentratie in bloed
ð Functionele groepen als ‘chemische vingers’: via niet-covalente krachten aantrekken en contact maken
Voorbeeld: moleculaire herkenning als basis van SARS-CoV-2 infectie
- Stekeleiwit en varianten herkennen eiwit op menselijke cellen -> cel binnendringen (infectie)
- Interactie tussen eiwitten via zwakke aantrekkingskrachten in contactoppervlak tussen
partnermoleculen
4 FUNCTIONELE GROEPEN EN HUN EIGENSCHAPPEN: EEN OVERZICHT
Biomoleculen -> koolstofskelet met daarop functionele groepen
ð Koolstofskelet voorstellen met ‘R’ = alkylketen (koolstofketen die verschillende vormen kan aannemen)
- Lineaire onvertakt keten van op elkaar gebonden koolstofatomen of vertakte keten of
koolstofringen
- Afhankelijk van lengte: methyl-, ethyl-, propylgroep…
- Koolstofskelet is apolaire (hydrofobe) deel van biomolecule
ð Functionele groepen bestaan uit groepen van atomen (S, O, P, N en C) gebonden op skelet
- Aanwezigheid zorgt voor polaire groepen
! Carbonylfunctie (keton- of aldehydefunctie) vs carboxylfunctie (zwak zuur, met carboxylaation)
! Aminefunctie (NH2) vs amidefunctie (CO-NH2)
! Reactiviteit tussen groepen
! Alkylketen (koolstofketen) – acylketen – acetylketen
! Polair of hydrofiel -> asymmetrische ladingsverdeling in verschillende functionele groepen (d+ en d-)
Apolair of hydrofoob (watervrezend)
2
, + tabel pagina 7
5 ZWAKKE KRACHTEN TUSSEN BIOMOLECULEN
Biochemische processen -> biologische moleculen vormen complexen et elkaar of met kleine moleculen
- Covalente bindingen of zwakke, niet-covalente aantrekkingskrachten tussen functionele groepen
ð Ladingen of partiële ladingen nodig (elkaar aantrekken)
ð Aantrekkingskrachten tussen funtionele groepen op ¹ plaatsen in 1 grote of verschillende biomoleculen
Tussen polaire moleculen of polaire functionele groepen (hydrofiel)
Ionaire of elektrostatische aantrekking (zoutbrug)
- Negatief geladen functionele groep (anion) in buurt van positief geladen groep (kation)
- Elektrostatische aantrekkingskracht op elkaar uitoefenen (sterkte gegeven door wet van Coulomb)
(q = ladingen, r = afstand tussen moleculen, D = dielektriciteitsconstante omgeving)
D = 1 in luchtledige, D = 80 in water -> aantrekking in water afzwakken
- Belangrijke rol bij biologische processen (eiwitopvouwing, werking enzymen…)
Dipoolinteractie, dipool-dipoolkracht, Keesomkracht
- Tussen polaire moleculen of functionele groepen met partiële positieve of negatieve ladingen
- Zwakker dan tussen ionen, rechtevenredig met product van
nettodipoolmomenten van elke molecule (omgekeerd evenredig met r3 ->
meer afstandsgevoelig)
Waterstofbruggen
- Niet-covalente elektrostatische aantrekking waarmee watermoleculen elkaar aantrekken
- Kan ook optreden tussen functionele groepen waarin atomen sterk elektronegatief karakter
hebben
ð Plaatsvinden in biomoleculen tussen O-H en N-H en elektronegatieve atomen N en O (vrij
elektronenpaar)
- Sterk positief partiële lading = waterstofdonor (d+), sterk negatieve partiële lading =
waterstofacceptor (d-)
- Lineair: alle atomen op 1 lijn met elkaar, niet onder een hoek (niet-lineair -> hoek)
! H-brug = elektrostatische aantrekking (niet-covalent) tussen atomen met tegengestelde partiële ladingen
! Zwakke aantrekkingskracht -> afh van relatieve positie atomen (lineair = sterkst)
- Belangrijk bij vb. opvouwing van polypeptideketen van eiwitten tot functionele 3D-vorm
3
, Tussen apolaire moleculen of apolaire delen van moleculen (hydrofoob)
Londonkrachten
- Apolaire moleculen of functionele groepen voldoende dicht bij elkaar
- Tijdelijke dipool (ladingsverdeling op 1 moment) in 1e apolaire molecule induceert dipool in 2e
ð Verdeling e- rond atomen in apolaire molecule varieert ifv tijd -> altijd asymmetrisch op 1 moment
- Zwakke aantrekking + afh van onderlinge afstand tussen moleculen (omgekeerd evenredig met r6)
Effect water op zwakke aantrekkingsinteracties tussen biomoleculen
! Levende organismen bevatten 70-80% water -> grote inlvoed op interacties
- Water = polaire molecule, watermoleculen elkaar sterk aantrekken via via H-brugvorming
ð Hoge En van O -> gemeenschappelijke elektronen in covalente binding met H naar zich toe, gebogen
geometrie zorgt voor polaire structuur -> ontstaan permanente dipool met H = d+ en O = d-
- Watermoleculen zich oriënteren zodat vrij elektronenpaar van O zich positioneert naar H van
naburige watermolecule -> elkaar aantrekken via waterstofbruggen
ð Iedere molecule 2x als waterstofbrugdonor en 2x als waterstofbrugacceptor
Effecten van watermoleculen op de zwakke krachten tussen polaire moleculen
- Water solvent (oplosmiddel) voor polaire moleculen en ionen -> hydratatie van kleine ionen,
polaire moleculen, geladen en polaire functionele groepen in waterige oplossing -> watermantel
door niet-covalent binden van watermoleculen
- Water werkt competitief vs niet-covalente interacties tussen geladen functionele groepen in
biomoleculen: door watermantel worden ladingen van polaire groepen in biomoleculen
afgeschermd -> partiële lading niet meer beschikbaar voor interactie met andere groepen ->
moeilijker bindingen vormen
- Ionaire interacties en waterstofbruggen tussen biomoleculen worden afgezwakt in water ->
zoutbruggen voorkomen in watervrije omgeving in biomoleculen (waarde 80 voor
dielektriciteitsconstante in water)
Hydrofoob effect
- Apolaire verbindingen die moeilijk oplosbaar zijn in water -> hydrofoob of watervrezend
- Apolaire moleculen in water -> energetisch ongunstig (verstoord H-brugnetwerk tussen
watermoleculen)
ð Met hydrofobe deeltjes worden H rond hydrofobe moleculen gefixeerd -> meer orde creëren -> dalen
entropie -> stijgen vrije energie DG -> energetisch ongunstig
ð Meerdere hydrofobe moleculen associëren -> effect kleiner (totale hydrofobe oppervlakte kleiner)
ð Spontante associatie hydrofobe moleculen in water (systeem met belangrijk organisatorisch vermogen)
ð Apolaire moleculen aggregeren spontaan (zelfassemblage) -> verdreven uit waterige fase
Het waarom van zwakke krachten
- Belang zwakke krachten (vergelijking met velcro)
ð Slechts enkele zwakke interacties -> onvoldoende om moleculen bij elkaar te houden (weinig
energetische bijdrage voor stabiliteit)
ð Heel veel -> som individuele energiebijdragen van elke interactie -> voldoende stabiliteit
ð Co-operativiteit: aantrekking tussen deel -> andere groepen dicht genoeg brengen voor interactie
- Voordeel zwakke krachten
ð Dynamisch (niet statisch of onveranderlijk)
4
BCAA’s = branched chain amino acids
- 20 aminozuren als bouwsteen van eiwitten -> 9 niet zelf synthetiseren
- 3 als voedingssuplement toepassen (doel: heropbouw van spiereiwit versnellen na inspanning)
INLEIDING
1 BIOMOLECULEN ZIJN ORGANISCHE (MACRO)MOLECULEN
Biochemie: bestuderen van biomoleculen (moleculen van het leven)
ð Kleine (eenvoudige suikers, vitaminen, hormonen) tot grote moleculen (eiwitten, nucleïnezuren)
ð Hoofdelementen: koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof, zwavel en fosfor
! Vaak voorgesteld met skeletvoorstellingen (hoekpunt of eindpunt = koolstof)
ð Functie van biomoleculen hangt samen met driedimensionale vorm
Werking begrijpen door chemische opbouw, driedimensionale structuur (vorm) en manier waarop ze met
elkaar of met andere moleculen grotere eenheden vormen (complexen, supremoleculaire structuren)
ð Interactie van chemische aard (covalente en niet-covalente chemische bindingen)
2 OVERZICHT VAN DRIE BIOPOLYMEREREN: EIWITTEN, NUCLEÏNEZUREN EN POLYSACHARIDEN
4 Hoofdtypes: eiwitten, nucleïnezuren, polysachariden (complexe suikers) en vetten (of lipiden)
Biomoleculen (macromoleculen) Bouwsteen (monomeer, covalent gebonden)
Eiwitten Aminozuren (alfa-aminocarbonzuren)
Polysacchariden Monosacchariden (eenvoudige suikers)
Nucleïnezuren DNA/RNA (erfelijk materiaal) Nucleotiden (suiker + base + fosfaatgroepen)
3 biopolymeren -> eiwitten, nucleïnezuren en polysacchariden
ð Covalent binden van stabiele eenheden of monomeren
- Homobiopolymeren: 1 type monomeer
- Heterobiopolymeren: verschillende bouwstenen (eiwitten en nucleïnezuren)
Monosacchariden
- Moleculen die we kennen als eenvoudige suikers (glucose, fructose…)
- Disacchariden = 2 suikermoleculen covalent gebonden (maltose, lactose)
- Polysacchariden = 100-1000’en suikermoleculen covalent gebonden (zetmeel, eigen
energiereserve)
Eiwitten/proteïnen/polypeptiden
- Aminozuren als bouwstenen, als ketting op elkaar gekoppeld (20, verschillen in R-groep)
- Specifieke partnerinteracties met elkaar en met kleinere moleculen
- Enzymen = speciale groep eiwitten, chemische reacties katalyseren
Nucleïnezuren (DNA en RNA)
- Nucleotide ATP (adenosinetrifosfaat) -> bouwsteen erfelijk materiaal + energiedrager
1
,Lipiden (vetten)
- Kleinere moleculen, geen polymeren
- Essentieel als energiebron en vormen via zwakke kracht belangrijke complexe structuren
- Supramoleculaire structuren vormen via zwakke (niet-covalente) krachten
3 HET BELANG VAN NIET-COVALENTE AANTREKKINGSKRACHTEN IN DE STRUCTUUR,
STABILITEIT EN FUNCTIE VAN BIOMOLECULEN
Basisopbouw polymere ketens van macromoleculaire biopolymeren -> covalente bindingen essentieel
- Functie -> niet-covalente, zwakke elektrostatische aantrekkingskrachten tussen delen moleculen
ð Zwakke krachten gebruikt in stabilistatie van vorm en structuur
- Functioneel DNA: dubbelhelix met 2 lange polymere nucleotideketens -> via H-bruggen samen
ð Zwakke krachten in communicatie met andere biomoleculen (functie)
- Eiwitten complexen vormen met andere moleculen door zwakke aantrekkingskrachten ter hoogte
van contactoppervlak tussen partnermoleculen
= moleculaire herkenning (efficiënte en specifieke interactie, intra- en extra cellulair)
ð Moleculaire herkenning steunt op aanwezigheid van chemische groepen met bepaalde eigenschappen
op oppervlak van biomoleculen (= functionele groepen)
Voorbeeld: specifieke interactie insuline-hormoon met ‘receptor’-eiwit
- Insuline: klein eiwit, regulator van bloedsuikerniveau
- Receptor-eiwit: groter eiwit, op celmembraan, ontvangt extracellulaire signalen
ð Interactie insuline – receptor: cellen aanzetten tot opname glucose bij te hoge concentratie in bloed
ð Functionele groepen als ‘chemische vingers’: via niet-covalente krachten aantrekken en contact maken
Voorbeeld: moleculaire herkenning als basis van SARS-CoV-2 infectie
- Stekeleiwit en varianten herkennen eiwit op menselijke cellen -> cel binnendringen (infectie)
- Interactie tussen eiwitten via zwakke aantrekkingskrachten in contactoppervlak tussen
partnermoleculen
4 FUNCTIONELE GROEPEN EN HUN EIGENSCHAPPEN: EEN OVERZICHT
Biomoleculen -> koolstofskelet met daarop functionele groepen
ð Koolstofskelet voorstellen met ‘R’ = alkylketen (koolstofketen die verschillende vormen kan aannemen)
- Lineaire onvertakt keten van op elkaar gebonden koolstofatomen of vertakte keten of
koolstofringen
- Afhankelijk van lengte: methyl-, ethyl-, propylgroep…
- Koolstofskelet is apolaire (hydrofobe) deel van biomolecule
ð Functionele groepen bestaan uit groepen van atomen (S, O, P, N en C) gebonden op skelet
- Aanwezigheid zorgt voor polaire groepen
! Carbonylfunctie (keton- of aldehydefunctie) vs carboxylfunctie (zwak zuur, met carboxylaation)
! Aminefunctie (NH2) vs amidefunctie (CO-NH2)
! Reactiviteit tussen groepen
! Alkylketen (koolstofketen) – acylketen – acetylketen
! Polair of hydrofiel -> asymmetrische ladingsverdeling in verschillende functionele groepen (d+ en d-)
Apolair of hydrofoob (watervrezend)
2
, + tabel pagina 7
5 ZWAKKE KRACHTEN TUSSEN BIOMOLECULEN
Biochemische processen -> biologische moleculen vormen complexen et elkaar of met kleine moleculen
- Covalente bindingen of zwakke, niet-covalente aantrekkingskrachten tussen functionele groepen
ð Ladingen of partiële ladingen nodig (elkaar aantrekken)
ð Aantrekkingskrachten tussen funtionele groepen op ¹ plaatsen in 1 grote of verschillende biomoleculen
Tussen polaire moleculen of polaire functionele groepen (hydrofiel)
Ionaire of elektrostatische aantrekking (zoutbrug)
- Negatief geladen functionele groep (anion) in buurt van positief geladen groep (kation)
- Elektrostatische aantrekkingskracht op elkaar uitoefenen (sterkte gegeven door wet van Coulomb)
(q = ladingen, r = afstand tussen moleculen, D = dielektriciteitsconstante omgeving)
D = 1 in luchtledige, D = 80 in water -> aantrekking in water afzwakken
- Belangrijke rol bij biologische processen (eiwitopvouwing, werking enzymen…)
Dipoolinteractie, dipool-dipoolkracht, Keesomkracht
- Tussen polaire moleculen of functionele groepen met partiële positieve of negatieve ladingen
- Zwakker dan tussen ionen, rechtevenredig met product van
nettodipoolmomenten van elke molecule (omgekeerd evenredig met r3 ->
meer afstandsgevoelig)
Waterstofbruggen
- Niet-covalente elektrostatische aantrekking waarmee watermoleculen elkaar aantrekken
- Kan ook optreden tussen functionele groepen waarin atomen sterk elektronegatief karakter
hebben
ð Plaatsvinden in biomoleculen tussen O-H en N-H en elektronegatieve atomen N en O (vrij
elektronenpaar)
- Sterk positief partiële lading = waterstofdonor (d+), sterk negatieve partiële lading =
waterstofacceptor (d-)
- Lineair: alle atomen op 1 lijn met elkaar, niet onder een hoek (niet-lineair -> hoek)
! H-brug = elektrostatische aantrekking (niet-covalent) tussen atomen met tegengestelde partiële ladingen
! Zwakke aantrekkingskracht -> afh van relatieve positie atomen (lineair = sterkst)
- Belangrijk bij vb. opvouwing van polypeptideketen van eiwitten tot functionele 3D-vorm
3
, Tussen apolaire moleculen of apolaire delen van moleculen (hydrofoob)
Londonkrachten
- Apolaire moleculen of functionele groepen voldoende dicht bij elkaar
- Tijdelijke dipool (ladingsverdeling op 1 moment) in 1e apolaire molecule induceert dipool in 2e
ð Verdeling e- rond atomen in apolaire molecule varieert ifv tijd -> altijd asymmetrisch op 1 moment
- Zwakke aantrekking + afh van onderlinge afstand tussen moleculen (omgekeerd evenredig met r6)
Effect water op zwakke aantrekkingsinteracties tussen biomoleculen
! Levende organismen bevatten 70-80% water -> grote inlvoed op interacties
- Water = polaire molecule, watermoleculen elkaar sterk aantrekken via via H-brugvorming
ð Hoge En van O -> gemeenschappelijke elektronen in covalente binding met H naar zich toe, gebogen
geometrie zorgt voor polaire structuur -> ontstaan permanente dipool met H = d+ en O = d-
- Watermoleculen zich oriënteren zodat vrij elektronenpaar van O zich positioneert naar H van
naburige watermolecule -> elkaar aantrekken via waterstofbruggen
ð Iedere molecule 2x als waterstofbrugdonor en 2x als waterstofbrugacceptor
Effecten van watermoleculen op de zwakke krachten tussen polaire moleculen
- Water solvent (oplosmiddel) voor polaire moleculen en ionen -> hydratatie van kleine ionen,
polaire moleculen, geladen en polaire functionele groepen in waterige oplossing -> watermantel
door niet-covalent binden van watermoleculen
- Water werkt competitief vs niet-covalente interacties tussen geladen functionele groepen in
biomoleculen: door watermantel worden ladingen van polaire groepen in biomoleculen
afgeschermd -> partiële lading niet meer beschikbaar voor interactie met andere groepen ->
moeilijker bindingen vormen
- Ionaire interacties en waterstofbruggen tussen biomoleculen worden afgezwakt in water ->
zoutbruggen voorkomen in watervrije omgeving in biomoleculen (waarde 80 voor
dielektriciteitsconstante in water)
Hydrofoob effect
- Apolaire verbindingen die moeilijk oplosbaar zijn in water -> hydrofoob of watervrezend
- Apolaire moleculen in water -> energetisch ongunstig (verstoord H-brugnetwerk tussen
watermoleculen)
ð Met hydrofobe deeltjes worden H rond hydrofobe moleculen gefixeerd -> meer orde creëren -> dalen
entropie -> stijgen vrije energie DG -> energetisch ongunstig
ð Meerdere hydrofobe moleculen associëren -> effect kleiner (totale hydrofobe oppervlakte kleiner)
ð Spontante associatie hydrofobe moleculen in water (systeem met belangrijk organisatorisch vermogen)
ð Apolaire moleculen aggregeren spontaan (zelfassemblage) -> verdreven uit waterige fase
Het waarom van zwakke krachten
- Belang zwakke krachten (vergelijking met velcro)
ð Slechts enkele zwakke interacties -> onvoldoende om moleculen bij elkaar te houden (weinig
energetische bijdrage voor stabiliteit)
ð Heel veel -> som individuele energiebijdragen van elke interactie -> voldoende stabiliteit
ð Co-operativiteit: aantrekking tussen deel -> andere groepen dicht genoeg brengen voor interactie
- Voordeel zwakke krachten
ð Dynamisch (niet statisch of onveranderlijk)
4
