Samenvatting bouwstenen van het leven hoorcolleges en theorie
I Elements & Energies
1.1 Some Relevant Elements
You should know:
- That and why cells are made from relatively few types of atoms.
- How atoms combine to form molecules.
- What happens in redox and protonation / deprotonation reactions.
Atomen en moleculen
Atomen bevatten een kern (nucleus) welke zich in het midden bevindt van een
elektronenwolk, welke langs de nucleus bewegen. Atomen verschillen van elkaar door het
verschil aan hoeveelheid positief geladen protonen binnen de kern, met een gelijk aantal
neutraal geladen hoeveelheid neutronen. Binnen het atoom bevinden zich een gelijke
hoeveelheid negatief geladen elektronen welke in verschillende
energieniveaus/schillen zitten. Uit het periodiek systeem, word slechts een
kleine hoeveelheid elementen teruggevonden in biologische systemen.
Het atoomnummer vertelt iets over de hoeveelheid protonen en elektronen
binnen het atoom. Niet alle schillen van een atoom zijn altijd gevuld. Deze
willen zij echter wel vullen. Dit heet edelgasconformatie. Elementen welke
terug worden gevonden in biologische systemen zijn gekozen vanwege hun
vermogen om bindingen te vormen, bijvoorbeeld hen reactiviteit. Een
molecuul bestaat uit meer dan een atoom.
Binnen moleculen worden atomen gebonden door een covalente binding. Dit
is een chemische binding. Deze covalente binding wordt gemaakt door het
delen van een elektronenpaar door twee atomen. Door het delen van het
elektron streven de atomen naar vulling, of leging, van hen buitenste schil.
Moleculen en pH
Koolstof is het belangrijkste en meest voorkomende element binnen de biologie (60% van ons
droge lichaamsgewicht). Koolstof heeft vier elektronen in zijn buitenste schil. Het moet dus
vier elektronen binden of lozen om elektronen configuratie te bereiken. Het kan dus 4
bindingen maken. Het heeft een thetraedise oriëntatie. Koolstof is bijzonder omdat het sterke
covalente bindingen kan maken met andere atomen.
Zuurstof is 9% van ons droge lichaamsgewicht. Het mist twee elektronen in de buitenste
schil, waardoor het atoom twee covalente bindingen kan vormen.
Waterstof is het kleinste atoom in de biologie. Het bevat slechts een elektron en een proton.
Koolstof en waterstof kunnen samen ‘hydrocarbons’ vormen. Dit kunnen moleculaire
bouwstenen zijn. Omdat er weinig verschil is tussen de elektron-negativiteit zijn
‘hydrocarbons’ apolair en hydrofoob. Als deze bouwstenen binden aan atomen met een
hogere elektro-negativiteit, kan waterstof loslaten wat ionenparen vormt. Dit verandert de
lading van deze stoffen. Deze reactie vind ook plaats in water. De hoeveelheid H+ (H3O+)
word gemeten in pH. pH= - log [H3O+] [H3O+] = 10-pH M
,Elektro-negativiteit en polariteit
Afhankelijk van de grote van de elektronen wolk, de afstand van de
buitenste elektronenschil tot de nucleus en de ladingsdichtheid van de
nucleus zijn atomen meer of minder geneigd om elektronen te delen voor
een covalente binding. Hierbij word polariteit opgewekt. Dit wordt ook
wel electro-negativiteit genoemd. Deze elektro-negativiteit bepaald of
een elektron wordt opgenomen of afgestaan.
Hoe groter de negativiteit, hoe groter de kans dat een elektron wordt
afgenomen. Ook kan het polariteit veroorzaken als van twee atomen de negativiteit niet gelijk
is.
Polariteit is bijvoorbeeld een oneven verdeling van de moleculen. De sterkte van deze
elementen hangt af van het verschil in elektro-negativiteit tussen de atomen die meedoen aan
de chemische binding.
Een voorbeeld is het verschil in vorm van H2O en O2. Door de buiging
van H2O kunnen veel stoffen goed worden opgelost in water doordat de
negatieve kop van water naar een positieve kop van andere stoffen richt.
Hierdoor kunnen veel reacties plaatsvinden, waardoor water ook wel de
bron van het leven wordt genoemd. Niet iedere stof kan worden
opgelost. Hydrofobe stoffen kunnen dit namelijk niet. Dit zijn dan ook
vaak apolaire stoffen, bijvoorbeeld vet.
In extreme gevallen kan de elektro-negativiteit zorgen voor ionen, welke
elkaar aan zullen trekken door een ionbinding. Hierdoor word bij een
atoom een elektron afgepakt en bij zijn bindingspartner toegevoegd
waardoor ionen ontstaan.
Met de concentratie van het ion H+, kan de pH van een stof worden
berekend.
Redoxreacties
Metalen zijn specifiek betrokken bij reductie/oxidatie (redox) reacties. Redox betekent het
geven of ontvangen van elektronen. Er is bij deze reactie een oxidator en een reductor. Bij
oxidatie wordt er een elektron afgestaan, en verliest dit metaal dus een elektron. Bij
reductie wordt er een elektron opgenomen, en krijgt dit metaal dus een elektron.
Bij een reductie wordt er een elektron opgenomen, waardoor de lading van het molecuul
daalt. Deze lading wordt gereduceerd. Bij een oxidatie wordt er een elektron afgestaan,
waardoor de lading van het molecuul toeneemt. Deze lading wordt geoxideerd.
, 1.2 Energy
You should know:
- What a state variable is and what free energy, entropy and enthalpy mean.
- The first and second law of thermodynamics.
- How changes in free energy govern the direction of
reactions.
Energie
Energie is een fundamentele grootheid wat ieder systeem bezit.
De hoeveelheid energie laat ons voorspellen hoeveel arbeid een
systeem kan uitvoeren, of hoeveel warmte het kan produceren.
Energie word gemeten in Joule (J, 1000 J = 1 kJ), vroeger
waren dit calorieën (cal, 1 cal = 4.1858 J. 1000 cal – 1 kcal).
Elektrische energie is het resultaat van een stroom van
elektronen welke worden voortgestuwd door een verschil in
elektrisch potentiaal.
‘Redoxreactions: flow of electrons driven by a difference of
redoxpotentials.’ Hiermee word bedoeld dat bij de verbranding
van eten er eigenlijk een redoxreactie plaats vind, waardoor het eten word afgebroken. Wat
hierbij van groot belang is, zijn eiwitten en biologische membranen welke de reactie leiden
en regelen.
Thermodynamica
Thermodynamica verdeelt de wereld in twee gehelen. Het systeem: waar we naar kijken, en
de omgeving: de rest van het universum. Status variabelen beschrijven de staat van het
systeem, onafhankelijk van de manier waarop dat systeem in die staat terecht gekomen is. Een
voorbeeld van een status variabelen is de potentiele energie van een systeem.
Bij moleculen is kinetische (beweging) energie een belangrijke energievorm. In een
samenstelling van moleculen, zullen er geen moleculen met een identieke kinetische energie
zijn. De energieniveaus van de moleculen zijn gedistribueerd volgens Boltzmann.
Innerlijke energie U
Innerlijke energie is energie die ieder systeem bezit. Het symbool voor innerlijke energy is
U. De waarde hiervan is moeilijk te bepalen. Wat we wel kunnen bepalen is de verandering
in innerlijke energie. Dit word gemeten als een systeem van staat A naar staat B gaat. U =
UB – UA. Net zoals iedere staat variabele is U niet afhankelijk van de manier hoe een
systeem van A naar B gaat.
If we consider two different states of a system, the one comprising the lower inner energy has
always the higher probability to be encountered ~ Sisyphos, Corinth 1400BC. Vrij vertaald:
Als we twee verschillende stadia van een systeem beschouwen, is degene die de lagere
innerlijke energie insluit, degene die een hogere kans heeft om gezien te worden.
1e wet van de thermodynamica
De 1e wet van thermodynamica zegt ons dat energie niet kan verdwijnen, maar ook niet
kan worden gemaakt. Dit betekent dat energie niet verloren gaat maar dat het word omgezet.
Wij hebben twee opties om de innerlijke energie van een systeem te veranderen. Wij kunnen
dit doen, door het systeem arbeid te laten verrichten (W>0), wij kunnen het systeem arbeid
I Elements & Energies
1.1 Some Relevant Elements
You should know:
- That and why cells are made from relatively few types of atoms.
- How atoms combine to form molecules.
- What happens in redox and protonation / deprotonation reactions.
Atomen en moleculen
Atomen bevatten een kern (nucleus) welke zich in het midden bevindt van een
elektronenwolk, welke langs de nucleus bewegen. Atomen verschillen van elkaar door het
verschil aan hoeveelheid positief geladen protonen binnen de kern, met een gelijk aantal
neutraal geladen hoeveelheid neutronen. Binnen het atoom bevinden zich een gelijke
hoeveelheid negatief geladen elektronen welke in verschillende
energieniveaus/schillen zitten. Uit het periodiek systeem, word slechts een
kleine hoeveelheid elementen teruggevonden in biologische systemen.
Het atoomnummer vertelt iets over de hoeveelheid protonen en elektronen
binnen het atoom. Niet alle schillen van een atoom zijn altijd gevuld. Deze
willen zij echter wel vullen. Dit heet edelgasconformatie. Elementen welke
terug worden gevonden in biologische systemen zijn gekozen vanwege hun
vermogen om bindingen te vormen, bijvoorbeeld hen reactiviteit. Een
molecuul bestaat uit meer dan een atoom.
Binnen moleculen worden atomen gebonden door een covalente binding. Dit
is een chemische binding. Deze covalente binding wordt gemaakt door het
delen van een elektronenpaar door twee atomen. Door het delen van het
elektron streven de atomen naar vulling, of leging, van hen buitenste schil.
Moleculen en pH
Koolstof is het belangrijkste en meest voorkomende element binnen de biologie (60% van ons
droge lichaamsgewicht). Koolstof heeft vier elektronen in zijn buitenste schil. Het moet dus
vier elektronen binden of lozen om elektronen configuratie te bereiken. Het kan dus 4
bindingen maken. Het heeft een thetraedise oriëntatie. Koolstof is bijzonder omdat het sterke
covalente bindingen kan maken met andere atomen.
Zuurstof is 9% van ons droge lichaamsgewicht. Het mist twee elektronen in de buitenste
schil, waardoor het atoom twee covalente bindingen kan vormen.
Waterstof is het kleinste atoom in de biologie. Het bevat slechts een elektron en een proton.
Koolstof en waterstof kunnen samen ‘hydrocarbons’ vormen. Dit kunnen moleculaire
bouwstenen zijn. Omdat er weinig verschil is tussen de elektron-negativiteit zijn
‘hydrocarbons’ apolair en hydrofoob. Als deze bouwstenen binden aan atomen met een
hogere elektro-negativiteit, kan waterstof loslaten wat ionenparen vormt. Dit verandert de
lading van deze stoffen. Deze reactie vind ook plaats in water. De hoeveelheid H+ (H3O+)
word gemeten in pH. pH= - log [H3O+] [H3O+] = 10-pH M
,Elektro-negativiteit en polariteit
Afhankelijk van de grote van de elektronen wolk, de afstand van de
buitenste elektronenschil tot de nucleus en de ladingsdichtheid van de
nucleus zijn atomen meer of minder geneigd om elektronen te delen voor
een covalente binding. Hierbij word polariteit opgewekt. Dit wordt ook
wel electro-negativiteit genoemd. Deze elektro-negativiteit bepaald of
een elektron wordt opgenomen of afgestaan.
Hoe groter de negativiteit, hoe groter de kans dat een elektron wordt
afgenomen. Ook kan het polariteit veroorzaken als van twee atomen de negativiteit niet gelijk
is.
Polariteit is bijvoorbeeld een oneven verdeling van de moleculen. De sterkte van deze
elementen hangt af van het verschil in elektro-negativiteit tussen de atomen die meedoen aan
de chemische binding.
Een voorbeeld is het verschil in vorm van H2O en O2. Door de buiging
van H2O kunnen veel stoffen goed worden opgelost in water doordat de
negatieve kop van water naar een positieve kop van andere stoffen richt.
Hierdoor kunnen veel reacties plaatsvinden, waardoor water ook wel de
bron van het leven wordt genoemd. Niet iedere stof kan worden
opgelost. Hydrofobe stoffen kunnen dit namelijk niet. Dit zijn dan ook
vaak apolaire stoffen, bijvoorbeeld vet.
In extreme gevallen kan de elektro-negativiteit zorgen voor ionen, welke
elkaar aan zullen trekken door een ionbinding. Hierdoor word bij een
atoom een elektron afgepakt en bij zijn bindingspartner toegevoegd
waardoor ionen ontstaan.
Met de concentratie van het ion H+, kan de pH van een stof worden
berekend.
Redoxreacties
Metalen zijn specifiek betrokken bij reductie/oxidatie (redox) reacties. Redox betekent het
geven of ontvangen van elektronen. Er is bij deze reactie een oxidator en een reductor. Bij
oxidatie wordt er een elektron afgestaan, en verliest dit metaal dus een elektron. Bij
reductie wordt er een elektron opgenomen, en krijgt dit metaal dus een elektron.
Bij een reductie wordt er een elektron opgenomen, waardoor de lading van het molecuul
daalt. Deze lading wordt gereduceerd. Bij een oxidatie wordt er een elektron afgestaan,
waardoor de lading van het molecuul toeneemt. Deze lading wordt geoxideerd.
, 1.2 Energy
You should know:
- What a state variable is and what free energy, entropy and enthalpy mean.
- The first and second law of thermodynamics.
- How changes in free energy govern the direction of
reactions.
Energie
Energie is een fundamentele grootheid wat ieder systeem bezit.
De hoeveelheid energie laat ons voorspellen hoeveel arbeid een
systeem kan uitvoeren, of hoeveel warmte het kan produceren.
Energie word gemeten in Joule (J, 1000 J = 1 kJ), vroeger
waren dit calorieën (cal, 1 cal = 4.1858 J. 1000 cal – 1 kcal).
Elektrische energie is het resultaat van een stroom van
elektronen welke worden voortgestuwd door een verschil in
elektrisch potentiaal.
‘Redoxreactions: flow of electrons driven by a difference of
redoxpotentials.’ Hiermee word bedoeld dat bij de verbranding
van eten er eigenlijk een redoxreactie plaats vind, waardoor het eten word afgebroken. Wat
hierbij van groot belang is, zijn eiwitten en biologische membranen welke de reactie leiden
en regelen.
Thermodynamica
Thermodynamica verdeelt de wereld in twee gehelen. Het systeem: waar we naar kijken, en
de omgeving: de rest van het universum. Status variabelen beschrijven de staat van het
systeem, onafhankelijk van de manier waarop dat systeem in die staat terecht gekomen is. Een
voorbeeld van een status variabelen is de potentiele energie van een systeem.
Bij moleculen is kinetische (beweging) energie een belangrijke energievorm. In een
samenstelling van moleculen, zullen er geen moleculen met een identieke kinetische energie
zijn. De energieniveaus van de moleculen zijn gedistribueerd volgens Boltzmann.
Innerlijke energie U
Innerlijke energie is energie die ieder systeem bezit. Het symbool voor innerlijke energy is
U. De waarde hiervan is moeilijk te bepalen. Wat we wel kunnen bepalen is de verandering
in innerlijke energie. Dit word gemeten als een systeem van staat A naar staat B gaat. U =
UB – UA. Net zoals iedere staat variabele is U niet afhankelijk van de manier hoe een
systeem van A naar B gaat.
If we consider two different states of a system, the one comprising the lower inner energy has
always the higher probability to be encountered ~ Sisyphos, Corinth 1400BC. Vrij vertaald:
Als we twee verschillende stadia van een systeem beschouwen, is degene die de lagere
innerlijke energie insluit, degene die een hogere kans heeft om gezien te worden.
1e wet van de thermodynamica
De 1e wet van thermodynamica zegt ons dat energie niet kan verdwijnen, maar ook niet
kan worden gemaakt. Dit betekent dat energie niet verloren gaat maar dat het word omgezet.
Wij hebben twee opties om de innerlijke energie van een systeem te veranderen. Wij kunnen
dit doen, door het systeem arbeid te laten verrichten (W>0), wij kunnen het systeem arbeid
