Samenvatting Biochemie
College 1
Biochemici bestuderen de chemie van levensprocessen. Ontrafelen van levensprocessen op
moleculair niveau.
Biochemie van alle organismen qua opzet hetzelfde
Alle organismen bestaan uit cellen
DNA is de drager van genetische informatie in alle cellen
De manier waarop genetische informatie wordt omgezet in eiwitten is hetzelfde.
Dezelfde 20 aminozuren worden door alle organismen gebruikt om eiwitten te maken
Alle cellen gebruiken dezelfde standaard metabole routes
Moleculen zoals ATP, NADH en Coenzym A hebben dezelfde functie in alle cellen
Alle organismen op aarde stammen af van een gemeenschappelijke voorouder.
Diversiteit vs. uniformiteit
Alle cellen gebruiken dezelfde moleculaire systemen; de basisprocessen in alle cellen zijn uniform en
bewaard gebleven in evolutie.
In meeste gevallen wordt biologische diversiteit verklaard door aanpassingen (verschillen) van
bestaande moleculaire componenten (biomacromoleculen), en niet door ontwikkeling van compleet
nieuwe elementen.
Biologische diversiteit kan verkregen worden door aanpassingen van bestaande
biomacromoleculen.
De heemgroep
Aan de heemgroep in een globuline wordt zuurstof reversibel gebonden.
Via de heemgroep in een cytochroom worden elektronen doorgegeven.
Energieconversiesystemen
Fotosynthese (bijvoorbeeld in chloroplasten) maakt gebruik van dezelfde componenten en
soorten reacties als geobserveerd bij ademhalingsketens (bijvoorbeeld in mitochondriën).
Er is een nauwe relatie tussen structuur en functie van een biomacromolecuul (bijv. DNA)
DNA is een lineair polymeer opgebouwd uit vier verschillende bouwstenen.
Adenine (A)
Cytosine (C)
Guanine (G)
Thymine (T)
,De structuur van DNA verklaart erfelijkheid en opslag van
informatie op moleculair niveau.
1. De structuur van ds-DNA past bij elke basenpaarsequentie.
- De vorm van ds-DNA hangt niet af van de
basenvolgorde.
2. De structuur van ds-DNA verklaart haar replicatie: semi-
conservatieve synthese.
- Basenpaarvorming vormt de basis voor het kopiëren
van de genetische informatie: elke streng doet dienst
als mal (matrijs) voor de synthese van de
complementaire streng.
De vorming van een DNA-dubbelhelix verloopt spontaan.
Covalente bidingen zijn belangrijk voor de structuur en stabiliteit
van biomoleculen.
Een molecuul met resonantiestructuren van ongeveer gelijke energieniveaus is stabieler dan een
molecuul dat geen resonantiestructuren heeft (het entropie-effect).
Cruciaal voor de vorming van 3D-structuren van biomoleculen en hun interacties zijn 4 niet-
covalente, reversibele ‘bindingen’:
1. Elektrostatische (ionogene) interactie
2. Waterstofbrug
3. Van der Waals interactie
De eigenschappen van water bepalen ook de structuur en mogelijkheden van biomoleculen
(DNA, eiwitten, membranen) en geeft aanleiding tot:
4. Hydrofobe interactie
Elektrostatische interactie
De energie-inhoud E va een elektrostatische interactie is:
( k∗q1∗q2 )
E=
( D∗r )
(Coulomb-energie)
q is de lading, r is de afstand, D is de di-elektrische constante,
k is evenredigheidsconstante
In water: D=80, energie-inhoud: -5.8 kJ/mol
In hexaan: D=2, energie-inhoud -232 kJ/mol (40x groter)
Met r = 3A
Waterstofbrug (is een elektrostatische reactie)
Sterkste waterstofbrug wanneer (donor--H-atoom ------- acceptor)
langs een rechte lijn liggen.
Energie-inhoud van waterstofbruggen: -4 tot -20 kJ/mol
,Van der Waals interactie
De van der Waals interactie is een zwakke kracht
tussen permanente en/of geïnduceerde dipolen in
elektrisch neutrale moleculen, die dicht bij elkaar
liggen.
De energie-inhoud bedraagt: -2 tot -4 kJ/mol
De som van veel van der Waals interacties kan een
substantiële grootte hebben.
De gekko gebruikt uitsluitend van der Waals interacties om
zeer effectieve droge adhesie tussen miljoenen ‘setae’ op
zijn voeten en een oppervlak te bewerkstelligen.
De eigenschappen van water bepalen in belangrijke mate
de 3D-structuur en interacties van biomoleculen.
Water is een polair molecuul
De cohesie tussen watermoleculen is groot
(waterstofbruggen)
Biomoleculen interacteren met watermoleculen door vorming van waterstofbruggen en
door elektrostatische interacties (water is een veelzijdig oplosmiddel)
De polariteit van water en bijgevolg haar capaciteit tot waterstofbrugvorming veroorzaken
het hydrofobe effect (is een energieconcept).
Het polaire karakter van water
De cohesie tussen watermoleculen is groot door vorming van een netwerk van waterstofbruggen.
Water kan waterstofbruggen in eiwitten (of DNA) vervangen.
Hoe beïnvloeden de eigenschappen van water de interacties tussen biomoleculen?
, Het polaire karakter van water en de mogelijkheid tot vorming van waterstofbruggen maken
dat water een goed oplosmiddel is voor polaire moleculen; interacties tussen polaire
moleculen (ionogene interacties en waterstofbruggen) worden door water verzwakt.
Het polaire karakter van water geeft aanleiding tot een nieuwe interactie: clustering van
apolaire groepen tot een watervrije micro-omgeving; deze neiging tot associatie van niet-
polaire moleculen wordt het hydrofobe effect genoemd en is het gevolg van een toename
van de entropie van het systeem (het is een energie-effect).
Het hydrofobe effect
Het clusteren van niet-polaire groepen in water heeft als gevolg dat watermoleculen die zich
aan een niet-polair oppervlak bevinden (en geordend zijn) vrijkomen voor interacties met
het oplosmiddel.
Deze vrijgekomen watermoleculen hebben meer interactiemogelijkheden met andere
(water)moleculen dan water dat in contact met het oppervlak is
Dit vrijkomen van watermoleculen geeft een sterke toename van entropie.
Wat is de bijdrage van de 4 niet-covalente interacties aan de spontane associatie van twee
complementaire DNA-strengen?
Alle vier niet-covalente interacties spelen een rol.
Elektrostatische interactie negatieve bijdrage
Waterstofbruggen nauwelijkse bijdrage
Van der Waals interactie grote bijdrage
Het hydrofobe effect grote bijdrage
College 2
De wetten van de thermodynamica bepalen het gedrag van biochemische systemen
In de thermodynamica maakt men onderscheid tussen een systeem en zijn omgeving
Eerste hoofdwet: de totale energie van een systeem en zijn omgeving is constant.
Tweede hoofdwet: als er sprake is van een spontaan proces, dan neemt de totale entropie (de
wanorde, het aantal sub-toestanden met gelijke energie) van het systeem en zijn omgeving altijd
toe.
De totale energie van een systeem en zijn omgeving is constant.
Kinetische energie
Potentiële energie
De observatie tot nu toe is: energie wordt niet gecreëerd en gaat ook niet verloren (de
energie-inhoud van het universum is constant), maar ze kan omgezet worden in andere
vormen van energie.
Dit concept levert echter geen informatie over de richting waarin een proces verloopt.
Een spontaan proces verloopt in de richting waarbij de totale entropie toeneemt
De entropie is een maat voor de wanorde van een systeem (een maat voor het aantal
manieren waarop een systeem is georganiseerd kan zijn in subtoestanden met dezelfde
energie).
Experimenteel blijkt dat bij een spontaan verlopend proces, de entropie van het systeem en
zijn omgeving toeneemt.
College 1
Biochemici bestuderen de chemie van levensprocessen. Ontrafelen van levensprocessen op
moleculair niveau.
Biochemie van alle organismen qua opzet hetzelfde
Alle organismen bestaan uit cellen
DNA is de drager van genetische informatie in alle cellen
De manier waarop genetische informatie wordt omgezet in eiwitten is hetzelfde.
Dezelfde 20 aminozuren worden door alle organismen gebruikt om eiwitten te maken
Alle cellen gebruiken dezelfde standaard metabole routes
Moleculen zoals ATP, NADH en Coenzym A hebben dezelfde functie in alle cellen
Alle organismen op aarde stammen af van een gemeenschappelijke voorouder.
Diversiteit vs. uniformiteit
Alle cellen gebruiken dezelfde moleculaire systemen; de basisprocessen in alle cellen zijn uniform en
bewaard gebleven in evolutie.
In meeste gevallen wordt biologische diversiteit verklaard door aanpassingen (verschillen) van
bestaande moleculaire componenten (biomacromoleculen), en niet door ontwikkeling van compleet
nieuwe elementen.
Biologische diversiteit kan verkregen worden door aanpassingen van bestaande
biomacromoleculen.
De heemgroep
Aan de heemgroep in een globuline wordt zuurstof reversibel gebonden.
Via de heemgroep in een cytochroom worden elektronen doorgegeven.
Energieconversiesystemen
Fotosynthese (bijvoorbeeld in chloroplasten) maakt gebruik van dezelfde componenten en
soorten reacties als geobserveerd bij ademhalingsketens (bijvoorbeeld in mitochondriën).
Er is een nauwe relatie tussen structuur en functie van een biomacromolecuul (bijv. DNA)
DNA is een lineair polymeer opgebouwd uit vier verschillende bouwstenen.
Adenine (A)
Cytosine (C)
Guanine (G)
Thymine (T)
,De structuur van DNA verklaart erfelijkheid en opslag van
informatie op moleculair niveau.
1. De structuur van ds-DNA past bij elke basenpaarsequentie.
- De vorm van ds-DNA hangt niet af van de
basenvolgorde.
2. De structuur van ds-DNA verklaart haar replicatie: semi-
conservatieve synthese.
- Basenpaarvorming vormt de basis voor het kopiëren
van de genetische informatie: elke streng doet dienst
als mal (matrijs) voor de synthese van de
complementaire streng.
De vorming van een DNA-dubbelhelix verloopt spontaan.
Covalente bidingen zijn belangrijk voor de structuur en stabiliteit
van biomoleculen.
Een molecuul met resonantiestructuren van ongeveer gelijke energieniveaus is stabieler dan een
molecuul dat geen resonantiestructuren heeft (het entropie-effect).
Cruciaal voor de vorming van 3D-structuren van biomoleculen en hun interacties zijn 4 niet-
covalente, reversibele ‘bindingen’:
1. Elektrostatische (ionogene) interactie
2. Waterstofbrug
3. Van der Waals interactie
De eigenschappen van water bepalen ook de structuur en mogelijkheden van biomoleculen
(DNA, eiwitten, membranen) en geeft aanleiding tot:
4. Hydrofobe interactie
Elektrostatische interactie
De energie-inhoud E va een elektrostatische interactie is:
( k∗q1∗q2 )
E=
( D∗r )
(Coulomb-energie)
q is de lading, r is de afstand, D is de di-elektrische constante,
k is evenredigheidsconstante
In water: D=80, energie-inhoud: -5.8 kJ/mol
In hexaan: D=2, energie-inhoud -232 kJ/mol (40x groter)
Met r = 3A
Waterstofbrug (is een elektrostatische reactie)
Sterkste waterstofbrug wanneer (donor--H-atoom ------- acceptor)
langs een rechte lijn liggen.
Energie-inhoud van waterstofbruggen: -4 tot -20 kJ/mol
,Van der Waals interactie
De van der Waals interactie is een zwakke kracht
tussen permanente en/of geïnduceerde dipolen in
elektrisch neutrale moleculen, die dicht bij elkaar
liggen.
De energie-inhoud bedraagt: -2 tot -4 kJ/mol
De som van veel van der Waals interacties kan een
substantiële grootte hebben.
De gekko gebruikt uitsluitend van der Waals interacties om
zeer effectieve droge adhesie tussen miljoenen ‘setae’ op
zijn voeten en een oppervlak te bewerkstelligen.
De eigenschappen van water bepalen in belangrijke mate
de 3D-structuur en interacties van biomoleculen.
Water is een polair molecuul
De cohesie tussen watermoleculen is groot
(waterstofbruggen)
Biomoleculen interacteren met watermoleculen door vorming van waterstofbruggen en
door elektrostatische interacties (water is een veelzijdig oplosmiddel)
De polariteit van water en bijgevolg haar capaciteit tot waterstofbrugvorming veroorzaken
het hydrofobe effect (is een energieconcept).
Het polaire karakter van water
De cohesie tussen watermoleculen is groot door vorming van een netwerk van waterstofbruggen.
Water kan waterstofbruggen in eiwitten (of DNA) vervangen.
Hoe beïnvloeden de eigenschappen van water de interacties tussen biomoleculen?
, Het polaire karakter van water en de mogelijkheid tot vorming van waterstofbruggen maken
dat water een goed oplosmiddel is voor polaire moleculen; interacties tussen polaire
moleculen (ionogene interacties en waterstofbruggen) worden door water verzwakt.
Het polaire karakter van water geeft aanleiding tot een nieuwe interactie: clustering van
apolaire groepen tot een watervrije micro-omgeving; deze neiging tot associatie van niet-
polaire moleculen wordt het hydrofobe effect genoemd en is het gevolg van een toename
van de entropie van het systeem (het is een energie-effect).
Het hydrofobe effect
Het clusteren van niet-polaire groepen in water heeft als gevolg dat watermoleculen die zich
aan een niet-polair oppervlak bevinden (en geordend zijn) vrijkomen voor interacties met
het oplosmiddel.
Deze vrijgekomen watermoleculen hebben meer interactiemogelijkheden met andere
(water)moleculen dan water dat in contact met het oppervlak is
Dit vrijkomen van watermoleculen geeft een sterke toename van entropie.
Wat is de bijdrage van de 4 niet-covalente interacties aan de spontane associatie van twee
complementaire DNA-strengen?
Alle vier niet-covalente interacties spelen een rol.
Elektrostatische interactie negatieve bijdrage
Waterstofbruggen nauwelijkse bijdrage
Van der Waals interactie grote bijdrage
Het hydrofobe effect grote bijdrage
College 2
De wetten van de thermodynamica bepalen het gedrag van biochemische systemen
In de thermodynamica maakt men onderscheid tussen een systeem en zijn omgeving
Eerste hoofdwet: de totale energie van een systeem en zijn omgeving is constant.
Tweede hoofdwet: als er sprake is van een spontaan proces, dan neemt de totale entropie (de
wanorde, het aantal sub-toestanden met gelijke energie) van het systeem en zijn omgeving altijd
toe.
De totale energie van een systeem en zijn omgeving is constant.
Kinetische energie
Potentiële energie
De observatie tot nu toe is: energie wordt niet gecreëerd en gaat ook niet verloren (de
energie-inhoud van het universum is constant), maar ze kan omgezet worden in andere
vormen van energie.
Dit concept levert echter geen informatie over de richting waarin een proces verloopt.
Een spontaan proces verloopt in de richting waarbij de totale entropie toeneemt
De entropie is een maat voor de wanorde van een systeem (een maat voor het aantal
manieren waarop een systeem is georganiseerd kan zijn in subtoestanden met dezelfde
energie).
Experimenteel blijkt dat bij een spontaan verlopend proces, de entropie van het systeem en
zijn omgeving toeneemt.
