Les 1 : Chemie van het leven

Hoofdstuk 1 : Chemie van het leven
1. Chemische elementen en verbindingen
Leven bestaat uit materie, en alle materie bestaat uiteindelijk uit verbindingen, die op hun beurt
weer uit elementen bestaan. Een element is een substantie die niet door chemische reacties kan
ontbonden worden. Er komen 92 elementen voor in de natuur, en 26 elementen werden op
kunstmatige manier gevormd.
Het leven op aarde gebruikt ongeveer 25 chemische elementen. Vier daarvan (koolstof, zuurstof,
waterstof en stikstof) vormen samen 96% van alle organische materiaal. Vier andere (fosfor,
zwavel, calcium en kalium) nemen een groot deel van de overige 4% voor hun rekening.
Een verbinding is een substantie die bestaat uit twee of meer verschillende elementen, in een
vaste verhouding.
Natriumchloride, of keukenzout (NaCl) is een voorbeeld van een verbinding, bestaande
uit twee elementen : natrium (Na, in zuivere vorm een metaal) en chloor (Cl, een giftig
gas). De eetbaarheid van NaCl is een voorbeeld van een emergente eigenschap : de
samenstelling van twee elementen van een lager hiërarchisch niveau heeft andere
karakteristieken dan de elementen afzonderlijk.
Verbindingen tussen atomen komen tot stand doordat atomen elektronen gaan delen of
uitwisselen. Deze interacties zorgen ervoor dat de atomen dicht bij elkaar blijven,
samengehouden door chemische bindingen. Het resulterende geheel noemt men een
molecule. De sterkste chemische bindingen zijn covalente bindingen en ionische bindingen.
Bij een covalente binding delen twee atomen een paar elektronen. Waterstofgas (H2) is een
voorbeeld van een enkele covalente binding : de twee waterstof-atomen delen twee elektronen.
Zuurstof (02) is een voorbeeld van een dubbele covalente binding : de twee zuurstof-atomen
delen twee paren elektronen.
Fig. 1. Covalente bindingen in
waterstofgas (H2) en
zuurstofgas (O2).
H
O
H
O
1
Tabel 1. Elementen in het menselijke lichaam, hun voorkomen (in gewichtspercent), enkele
symptomen bij tekorten, en de voornaamste voedingswaren waarin ze gevonden worden.
element
sym
bool
O
C
H
N
Ca
massa
%
65
18.5
9.5
3.3
1.5
fosfor
P
1.0
kalium
K
0.4
zwavel
S
0.3
natrium
chloor
Na
Cl
0.2
0.2
magnesium
Mg
0.1
boor
B
<0.01%
chroom
Cr
<0.01%
bloedsuiker- en
vetmetabolisme
kobalt
Co
<0.01%
onderdeel vitamine B12
(eiwitsynthese)
koper
Cu
<0.01%
onderdeel van
verschillende
enzymen; vorming
melanine; functioneren
zenuwstelsel
fluor
F
<0.01%
jood
I
<0.01%
vorming hormonen
van de schildklier
ijzer
Fe
<0.01%
onderdeel systemen
i.v.m. zuurstofopname
mangaan
Mn
<0.01%
onderdeel enzymen
zuurstof
koolstof
waterstof
stikstof
calcium
functie
botvorming,
bloedstolling,
overdracht
zenuwimpulsen
vorming tanden en
botten,
vetmetabolisme,
eiwitmetabolisme,
energiemetabolisme
ziektebeeld bij deficiëntie
fragiele beenderen,
osteoporosis
oorsprong
kaas, sardientjes,
melkproducten,
sesamzaadjes
chocolade,
zemelen, granen,
soya, gist,
eieren, kaas, vis,
vlees,
melkproducten,
noten
spierwerking,
overdracht
zenuwimpulsen,
eiwitmetabolisme
onderdeel van
enzymen, eiwitten,
enzymen
brood, eieren,
kaas, vis en
zeevruchten,
gedroogd fruit,
vlees, noten
behoud waterbalans,
onderdeel maagzuur
zout, granen,
vetten, eieren,
olijven, vlees,
kaas
granen, groenten
onderdeel vele
enzymen ivm
energietransport,
werking spieren en
zenuwen
verminderde cognitieve
en psychomotorische
functies
gewichtsverlies,
verminderde energie,
schade aan zenuwen,
verhoogde vetproductie
bloedarmoede,
ontregeling zenuwstelsel
cariës
krop, mentale retardatie,
geremde groei,
haaruitval, vertraagde
reflexen, uitdroging huid
bloedarmoede
geen bekend
gist, kalfslever,
kaas,
tarwekiemen
microorganismen,
dierlijke
producten
schaaldieren,
lever, nieren,
noten,
leidingwater
zeezout, vis,
leidingwater
(gejodeerd) zout,
zeevruchten,
groenten, vlees
chocolade,
zemelen, cornflakes, muesli,
gist, mosselen,
hart, lever, noten
noten, granen,
2
molybdenum
Mo
<0.01%
onderdeel enzymen
geen bekend
selenium
Se
<0.01%
onderdeel van een
antioxidant enzyme
silicium
Si
<0.01%
tin
Sn
<0.01%
vorming van botten en
bindweefsel
onbekend
Keshan-ziekte
(deficiëntie hartspier bij
kinderen)
groeistoornissen
vanadium
zink
V
Zn
<0.01%
<0.01%
onbekend
eiwitsynthese
geen bekend
geen bekend
verminderde cognitieve
en psychomotorische
functies, slechte heling
van wonden,
verminderde groei
groenten
aardappelen,
kolen, wortels
vis, zeevruchten,
vlees, groenten,
granen
granen,
citrusvruchten
granen, vers
vlees en
groenten
radijs, dille
zemelen, gist,
zeevruchten,
vlees
 http://www.med.monash.edu.au/medicine/mmc/books/foodfacts/html/data/data1a.html bevat
een overzicht van alle noodzakelijke elementen, met per element de functie, de effecten bij een te
lage of te hoge opname, en het voorkomen in tientallen soorten voedsel.
Bij een ionische binding pikt één van de twee atomen een elektron van het andere atoom. Door
het elektronentransport worden de beide atomen ionen, die elkaar vanwege hun tegengestelde
lading aantrekken. Ionische verbindingen worden ook zouten genoemd.
Fig. 2. Elektronentransport bij een
ionische binding.
Na
Na
Cl
+
Cl-
Ook tussen moleculen zijn chemische bindingen mogelijk. Deze zijn essentieel voor de werking
van de cel. Twee moleculen kunnen elkaar in de cel ontmoeten, elkaar op één of andere manier
beïnvloeden, en dan opnieuw scheiden. Hierbij zijn bindingen van belang die veel zwakker zijn
dan de covalente bindingen.
H
O
Fig. 3. Een waterstofbinding
verbindt een watermolecule met een
ammoniakmolecule.
H
N
H
H
H
3
Het belang van de zwakke bindingen wordt geïllustreerd door de chemische
communicatie in de hersenen. Eén hersencel kan een andere aanspreken door
moleculen af te geven die zich zullen nestelen op receptormoleculen aan het oppervlak
van die andere cel. De binding tussen signaalmoleculen en receptormoleculen duurt juist
lang genoeg om een respons van de ontvangende cel uit te lokken. Een sterkere binding
zou de boodschap blijven doorgeven nadat het bericht uitgezonden was.
Moleculen hebben karakteriserende afmetingen en vormen. Moleculen bestaande uit twee
atomen (H2, O2)zijn noodzakelijkerwijs lineair, maar moleculen met meerdere atomen hebben
dikwijls meer ingewikkelde vormen. Deze vormen worden bepaald door de positie van de
orbitalen van de atomen. Een watermolecule (H20) is V-vormig, methaan (CH4) heeft de vorm van
een tetrahedron. De vorm van biologische moleculen is belangrijk voor de herkenning en de
daaropvolgende responsen.
De signaalmoleculen uit het voorgaande voorbeeld hebben een unieke vorm, die perfect
past in de receptormoleculen van de ontvangende cel. Moleculen die qua vorm gelijken
op deze signaalmoleculen, kunnen de gemoedsgesteldheid en de pijnperceptie
beïnvloeden. Morfine, heroïne en andere bedwelmende middelen lijken qua structuur
sterk op natuurlijke signaalmoleculen (endorfinen).
Bij chemische reacties worden chemische bindingen gevormd en gebroken. Een voorbeeld van
een chemische reactie is de vorming van water uit waterstof- en zuurstofgas :
2 H2 + 02  2 H20
Hierbij worden de covalente bindingen van de H2 en de O2-moleculen verbroken, en worden de
nieuwe bindingen van H20 gevormd. De uitgangsproducten worden reagentia genoemd, het
resultaat product.
Sommige chemische reacties lopen helemaal af; alle reagentia worden omgezet in producten. De
meeste reacties zijn echter omkeerbaar, en reagentia worden product en omgekeerd. Eén van de
factoren die de snelheid van een reactie beïnvloeden, is de concentratie aan reagentia. Hoe
minder er van is, hoe minder kans dat de moleculen interageren, en hoe trager de reactie
verloopt. Hetzelfde geldt voor het product. Uiteindelijk lopen de twee reacties aan eenzelfde
tempo, en blijft de concentratie aan reagentia en producten gelijk. Op dat moment spreekt men
van een chemisch evenwicht. Het is een dynamisch evenwicht; de reactie loopt nog steeds
door, maar zonder merkbaar effect.
2. De moleculen van het leven
2.1.
Water
Water heeft een aantal merkwaardige karakteristieken die van het grootste belang zijn voor het
leven op aarde : een grote mate van cohesie, een vermogen om temperatuursfluctuaties te
bufferen, een groot oplossend vermogen, en het uitzetten bij bevriezing.
(a) Watermoleculen worden onderling bijeengehouden door waterstofbindingen. Deze worden
constant gevormd, verbroken en opnieuw gevormd. Op elk moment zijn een groot deel van
de moleculen gebonden aan hun buren. Hierdoor heeft water meer structuur dan andere
vloeistoffen. Men zegt dat water een hoge cohesie heeft.
Het is dankzij deze cohesie dat planten water kunnen transporteren, tegen de zwaartekracht
in. Water dat verdampt van het blad wordt vervangen door water in de nerven van het blad,
4
en dankzij de cohesie wordt een ganse kolom vloeistof door de xyleemvaten naar boven
gezogen.
Oppervlaktespanning is een andere uiting van dezelfde krachten. Sommige dieren kunnen
van deze spanning gebruik maken om te staan of te lopen over het wateroppervlak.
(b) Water heeft een hoge specifieke warmte (dit is de hoeveelheid warmte nodig om 1 g stof
1°C op te warmen) en is daardoor uiterst geschikt als buffer tegen temperatuurschommelingen. De grote hoeveelheden water op aarde slaan de warmte van de zon
overdag en in de zomer op, en geven die weer geleidelijk af 's nachts en in de winter. Zo
wordt de temperatuur op aarde gehouden tussen limieten die voor het leven aanvaardbaar
zijn.
Vergeleken met andere vloeistoffen heeft water ook een hoge verdampingswarmte (dit is de
hoeveelheid warmte nodig om 1 g stof om te zetten van vloeistof naar gas). Een groot
gedeelte van de zonnewarmte gaat naar de verdamping van het water van de oceanen,
zodat de aarde niet te snel te veel opwarmt. Op dezelfde manier zorgt evapotranspiratie
ervoor dat organismen niet oververhitten.
(c) Water is één van de weinige substanties die een lagere densiteit hebben in vaste toestand
dan in vloeibare toestand. Terwijl andere vloeistoffen krimpen wanneer ze bevriezen, zet
water uit. Hierdoor drijft ijs. Indien ijs zou zinken, zouden poelen, meren en uiteindelijk zelfs
de oceanen compleet bevriezen, waardoor leven onmogelijk zou worden.
(d) Water is het meest veelzijdige solvent. Het kan stoffen oplossen door ze te ontbinden in hun
samengestelde ionen (dit gebeurt bijvoorbeeld bij het oplossen van zout), of door polaire
moleculen volledig te omgeven (dit gebeurt bijvoorbeeld bij eiwitten).
Stoffen met een speciale affiniteit voor water noemt hydrofiel. Het gaat meestal om ionische
of polaire substanties. Soms kunnen deze stoffen, door de omvang van hun moleculen, niet
echt opgelost worden, maar worden ze door een laag watermoleculen omgeven. Een
voorbeeld is katoen, dat bestaat uit grote cellulose-moleculen.
Andere stoffen vertonen geen affiniteit voor water en worden daarom hydrofoob genoemd.
Ze ontlenen deze eigenschap aan een prevalentie van niet-polaire bindingen. Bij vetten zijn
dit de bindingen tussen koolstof en waterstof. Hydrofobe moleculen zijn een belangrijke
component van celmembranen.
Nu en dan zal een waterstofatoom, betrokken in een waterstofbinding tussen twee
watermoleculen, van molecule verhuizen. Hierdoor ontstaat een hydronium ion (H3O+) en een
hydroxide ion (OH-) :
2 H20  H3O+ + OHDit wordt meestal vereenvoudigd voorgesteld als
H20  H+ + OH-
Dit fenomeen, de dissociatie van water, is statistisch zeldzaam, maar zeer belangrijk in de
chemie van het leven. Waterstof-ionen zijn bijzonder reactief, en veranderingen in hun
concentraties kunnen eiwitten en andere moleculen van de cel drastisch beïnvloeden. De
concentraties van H+ en OH- zijn in zuiver water normaliter gelijk, maar toevoeging van basen of
zuren kunnen deze balans verbreken.
5
Zuren zijn producten die, wanneer zij oplossen in water, H+-ionen aan de oplossing toevoegen.
Basen voegen OH- toe, of binden H+-ionen, waardoor een overschot aan OH- ontstaat. De pH
van een oplossing meet de concentratie aan H+-ionen. Een neutrale oplossing heeft een pH van
7, een zure oplossing een pH van 0 tot 7, en een basische oplossing van 7 tot 14. Omdat het een
logaritmische schaal betreft, is een oplossing met pH 3 duizend maal zuurder dan een oplossing
met pH 6. Biologische vloeistoffen hebben doorgaans een pH tussen 6 en 8, maar er zijn
uitzonderingen : het maagzuur van de mens heeft een pH van ca 2.
Tabel 2. De pH van enkele waterige oplossingen
pH schaal
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
voorbeeld
maagzuur, citroensap
azijn, bier, wijn, cola
tomatensap
zwarte koffie, regenwater
urine
zuiver water
zeewater
huishoudelijk ammoniak
huishoudelijk bleekmiddel
schoonmaakproduct oven
De interne pH van biologische vloeistoffen wordt constant gehouden door buffers, stoffen die de
concentraties H+ en OH- stabilizeren. De pH van het menselijke bloed moet rond 7.4 gehouden
worden; dalingen tot 7 of stijgingen tot 7.8 zullen niet langer dan enkele minuten overleefd
worden. Eén van de buffers die bijdraagt tot de stabiliteit van de bloed-pH bij de mens is koolzuur
(H2CO3).
Eén van de belangrijkste bedreigingen van het leven op aarde is zure neerslag. Men spreekt van
zure neerslag wanneer de pH van de regen, sneeuw, of mist lager is dan 5.6. De voornaamste
oorzaken van zure neerslag zijn de aanwezigheid van zwaveloxiden en stikstofoxiden. Een
belangrijke bron van deze producten is de verbranding van fossiele brandstoffen in de industrie
en door auto's.
2.2.
Koolhydraten
Onder de term ‘koolhydraten’ rangschikt men zowel de suikers als hun polymeren, de
polysacchariden. Polymeren zijn lange moleculen die opgebouwd zijn uit vele identieke of
gelijkende eenheden, die bij elkaar worden gehouden door covalente bindingen. De kleine
eenheden noemt men monomeren.
Suikers, de kleinste koolhydraten, dienen in de cel voornamelijk als brandstof en als koolstofbron.
Men onderscheidt monosacchariden en disacchariden. Monosacchariden hebben meestal een
moleculaire formule die een veelvoud is van CH 2O. De monosaccharide glucose (C6H1206) is een
uiterst belangrijke bron van energie voor de cel. In een proces dat respiratie genoemd wordt,
onttrekken cellen energie uit de glucosemoleculen. Naast deze functie als brandstof worden de
koolstofskeletten van de suikers ook gebruikt als bouwstenen in de synthese van andere typen
6
macromoleculen, zoals aminozuren en vetzuren. Dit gebeurt meestal nadat ze verbonden worden
met andere monosacchariden tot disacchariden of polysacchariden.
OH H OH OHOH
O
C C C C C C
H
Fig. 4. Lineaire en ringvormige structuur van
glucose. De twee komen in evenwicht
voor.
H OH H H
OH
H
CH2OH
H
C
O
H
C OH H C
OH
OH
C
C
H
OH
Disacchariden ontstaan door de covalente binding van twee monosacchariden. Voorbeelden zijn
maltose (twee glucosemoleculen), lactose (glucose + galactose) en sucrose (glucose + fructose).
Maltose, een harde kristalsuiker, wordt gebruikt in brouwerijen en stokerijen. Lactose is
de belangrijkste suikervorm in melk. Sucrose (tafelsuiker) is de meest voorkomende
suiker. Planten transporteren hun koolhydraten meestal in de vorm van sucrose.
CH2OH
O
CH2OH
O
H
OH
H
OH H
H
Fig. 5. Maltose (verbinding van twee glucosemoleculen) en sucrose (glucose +
fructose).
OH
CH2OH
O
H
OH
OH H
H
O
OH
OH H
H
OH
CH2OH O
O
OH
H
OH
H
OH
H
CH2OH
Polysacchariden zijn polymeren die bestaan uit enkele honderden tot enkele duizenden
monosacchariden. Hun belangrijkste functie is opslag en ondersteuning.
Planten stockeren hun suikers onder de vorm van zetmeel, een polysaccharide die geheel uit
glucose-monomeren bestaat. De meeste dieren, waaronder de mens, hebben enzymen die
zetmeel kunnen afbreken, zodat ze de energievoorraden van de planten ook kunnen aanwenden.
7
Belangrijke bronnen van zetmeel (en dus van suikers) voor de mens zijn aardappels en granen
(het fruit van grassen). Dieren slaan suikers op als glycogeen, een andere polymeer van
glucose. Mensen en andere gewervelde dieren bewaren dit glycogeen voornamelijk in de lever
en de spiercellen. De hoeveelheid energie die als glycogeen opgeslagen wordt is echter beperkt.
Bij de mens is de glycogeenvoorraad na ongeveer één dag al uitgeput als ze niet aangevuld
wordt door voedsel.
Fig. 6. Amylose (links) en glycogeen (rechts), twee polysacchariden.
Polysacchariden worden door organismen ook aangewend in ondersteunende structuren. Een
belangrijke component van de taaie celwand van vele planten is een structurele polysaccharide,
cellulose.
Planten produceren jaarlijks bijna 1011 ton cellulose. Cellulose is daarmee het meest
voorkomende organische materiaal op aarde. Merkwaardig genoeg bezitten slechts
enkele organismen enzymen die cellulose kunnen afbreken. Mensen kunnen cellulose
niet verteren; het passeert door het spijsverteringskanaal en wordt uitgescheiden in de
faeces. Onderweg schuurt het wel de darmwand en stimuleert het de mucussecretie,
zodat het voedseltransport vlotter verloopt. Cellulose is daardoor toch een belangrijk
onderdeel van een gezond dieet. De meeste verse fruitsoorten, groenten en granen zijn
rijk aan cellulose (‘vezels’).
Grasetende herbivoren rekenen op de bacteriën en andere micro-organismen in hun
eerste maagcompartiment (rumen) om de cellulose af te breken tot glucose.
Chitine is een belangrijk dierlijk structureel polysaccharide. Geleedpotigen (insekten, spinnen,
schaaldieren, ...) bouwen er hun endoskelet mee, de harde structuur die hun lichaam omgeeft en
steunt.
2.3.
Lipiden
Lipiden zijn grote moleculen, maar het zijn geen polymeren. Lipiden zijn een diverse groep
moleculen met allerlei structuren en functies, die één eigenschap gemeen hebben : een geringe
affiniteit voor water. We staan hier even stil bij drie belangrijke typen lipiden : de vetten, de
fosfolipiden en de steroïden.
8
Een vet-molecule bestaat uit een glycerol-molecule en drie vetzuren. Glycerol is een alcohol met
drie koolstofatomen, elk met een hydroxyl-groep (OH-). Een vetzuur is een lange keten van C-H
bindingen die eindigt op een carboxyl-groep (C-OH). De niet-polaire C-H bindingen in de staart
van de vetzuren zijn verantwoordelijk voor het hydrofobe karakter van vetten.
Fig. 7. Een vetmolecule met links de ‘glycerolkop’ en
rechts de drie vetzuurstaarten.
In het jargon van de voedingssector heeft men het vaak over verzadigde en
onverzadigde vetzuren. Deze termen refereren naar de structuur van de C-H staart van
de vetzuren. Bij verzadigde vetzuren zijn er geen dubbele bindingen tussen de
koolstofatomen, en kunnen er een maximale hoeveelheid waterstofatomen op het
koolstofskelet gebonden worden. Bij onverzadigde vetzuren zijn er één of meerdere
dubbele bindingen in het skelet. Op de plaats van deze dubbele bindingen ontstaat
telkens een knik in de vetzuurstaart.
De meeste dierlijke vetten zijn verzadigd. Door hun lineaire structuur kunnen de
vetmoleculen bij lage temperatuur dicht bij elkaar liggen. Daardoor zijn dierlijke vetten
(spek, boter) bij kamertemperatuur vast. Vetten van vissen en planten zijn meestal
onverzadigd. De knikken in de vetzuurstaarten verhinderen een dichte stapeling van de
moleculen, zodat deze vetten (we spreken meestal van oliën) bij kamertemperatuur
vloeibaar zijn.
Een dieet dat rijk is aan verzadigde vetzuren kan bijdragen tot arteriosclerose, een
cardiovasculaire ziekte waarbij zich op de binnenwanden van bloedvaten plaques
vormen die de bloeddoorstroming hinderen en de aders minder soepel maken.
De belangrijkste functie van vet is energieopslag. Een gram vet kan meer dan twee maal zoveel
vet stockeren als een gram polysaccharide. Dit is vooral interessant voor dieren, die het zich niet
kunnen veroorloven grote hoeveelheden polysacchariden mee te zeulen. Dit zou hun mobiliteit
ernstig beperken.
Fosfolipiden lijken qua moleculaire structuur op vetten, maar hebben slechts twee
vetzuurstaarten. De vrijgekomen plek op de glycerolmolecule wordt ingenomen door een
fosfaatgroep. Fosfolipiden gedragen zich ambivalent t.o.v. water. De staarten zijn uiteraard
hydrofoob, maar de fosfaatgroep vertoont een hoge affiniteit voor water. Wanneer fosfolipiden in
aanraking komen met water, organiseren ze zich in een dubbele laag, de hydrofiele koppen naar
buiten en de hydrofobe staarten naar binnen gekeerd. Dit gedrag maakt hen uiterst geschikt als
onderdeel van een membraan. Dat is dan ook hun hoofdfunctie in de cel.
9
Fig. 8. Fosfolipiden-bilayer. De bollen
stellen de hydrofiele koppen van
de molecule voor, de draden de
hydrofobe staarten.
water
water
Steroïden zijn lipiden waarvan het koolstofskelet bestaat uit vier gesloten ringen. Een voorbeeld
is cholesterol, een belangrijke component van dierlijke celmembranen en tevens de precursor
van andere steroïden (bijvoorbeeld vele sex-hormonen van vertebraten).
CH3
CH3
CH3
CH3
Fig. 9. Cholesterol.
CH3
HO
2.4.
Eiwitten
Eiwitten, of proteïnen, vormen meer dan 50% van het drooggewicht van cellen, en komen tussen
in zowat alles wat de cel doet (tabel 3).
Om aan hun vele functies te kunnen voldoen, hebben eiwitten veruit de meest variabele en
gesofisticeerde structuur van alle macromoleculen. Toch zijn ze allen opgebouwd uit dezelfde set
van 20 aminozuren. Polymeren van aminozuren noemt men polypeptiden. Een eiwit bestaat uit
één of meerdere peptiden, in een specifieke vorm gebogen en geplooid.
De structuur van een eiwit (conformatie) bepaalt hoe het zal werken. Wanneer de cel een
polypeptide synthetiseert uit aminozuren, plooit de keten zich meestal automatisch tot de
functionele conformatie eigen aan dat eiwit. Dit plooien wordt veroorzaakt door de vorming van
vele bindingen tussen onderdelen van de keten. De functie van het eiwit is een emergente
eigenschap.
10
Tabel 3. Functies van eiwitten.
type eiwitten
structurele eiwitten
functie
ondersteuning
voorbeelden
zijde in de kokonnen van insekten
en de webben van spinnen;
collageen en elastine in
bindweefsels zoals pezen en
ligamenten; keratine in haar,
hoorn, pluimen.
opslageiwitten
opslag van aminozuren
transporteiwitten
transporteren van andere stoffen
hormonale eiwitten
coördinatie van de activiteit van
het organisme
receptoreiwitten
reactie van de cel op chemische
stimuli
contractiele eiwitten
beweging
defensieve eiwitten
verdediging
enzymatische eiwitten
aanzwengelen van specifieke
chemische reacties
ovalbumine als opslag van
aminozuren in eiwit; caseïne is
bron van eiwitten in melk
hemoglobine vervoert zuurstof van
de longen naar de rest van het
lichaam; speciale eiwitten
transporteren moleculen door de
membranen van cellen
insuline, uitgescheiden door de
alvleesklier, draagt bij tot het
regelen van de bloedsuikerspiegel
eiwitten in de membranen van
zenuwcellen detecteren
chemische signalen uitgezonden
door andere zenuwcellen
actine en myosine zijn
verantwoordelijk voor de
beweging van spieren; flagellen
en ciliën van cellen worden
bewogen via eiwitten
antilichamen zijn eiwitten die
cellen verdedigen tegen bacteriën
en virussen
verteringsenzymen breken de
polymeren van het voedsel af
H
Fig. 10. Algemene formule voor
aminozuren en enkele
voorbeelden.
O
H3N
C
R
R=
C
O
-
H
glycine
CH3
alanine
CH-(CH3)2
valine
CH2-CH2-S-CH3 methionine
CH2-OH
serine
11
Men onderscheidt in de complexe architectuur van eiwitten meestal drie organisatieniveau’s. Een
vierde niveau ontstaat wanneer het proteïne samengesteld is uit meerdere polypeptidenketens.
De primaire structuur wordt gevormd door de unieke sequentie van aminozuren.
Val Phe Gly
Arg
Lys
+
H3N
Cys
Leu
Ala
Met
Fig. 11. Primaire structuur van een
(denkbeeldig) eiwit.
Asp
Lys
Asp
Ser
Lys
Asn Ile
Ala Val
Leu
Thr
Pro
Ile
Asn
Trp Leu
Cys
Ser
Pro
Ala
Asn Ala
Lys
Ser
Lys Arg
Pro Gly
Asn
Gln
Tyr
Lys Ile
Arg
o
Val
Cys
C
Gln Val Ile
o
Een kleine verandering aan de sequentie van de aminozuren kan ernstige gevolgen
hebben voor het functioneren van het eiwit. Het eiwit hemoglobine, bijvoorbeeld, bestaat
uit 146 aminozuren. Bij sikkelcelanemie-patiënten is het zesde aminozuur uit de keten
(glutamine) door een erfelijke ‘fout’ vervangen door een ander aminozuur (valine). Deze
ene substitutie doet de hemoglobine kristaliseren, waardoor de bloedcellen een typische
sikkelvorm aannemen. De sikkelvormige cellen versperren nu en dan fijne bloedvaatjes,
en verhinderen de bloeddoorstroming.
Fig. 12. Aminozuursequentie in
normaal hemoglobine
(boven) en in
hemoglobine bij
sikkelcel-anemie.
1
2
3
4
5
6
7
Val
His
Leu
Thr
Pro
Glu
Glu
...
Val
His
Leu
Thr
Pro
Val
Glu
...
1
2
3
4
5
6
7
146
146
Bij de meeste eiwitten is de polypeptidenketen op verschillende plaatsen gedraaid of geplooid,
waardoor een secundaire structuur ontstaat. Deze plooien worden veroorzaakt door
waterstofbindingen tussen aminozuren. Vele eiwitten vertonen bijvoorbeeld een spiraalvormige
structuur, de zogenaamde -helix. Die kan zich over de hele molecule uitstrekken (zoals bij keratine, het structurele eiwit in haar), of beperkt zijn tot stukken van de molecule. Een ander type
12
-
van secundaire structuur is plaatvorming, waarbij twee delen van de keten parallel aan mekaar
liggen. Dit is typisch voor zijde.
Naast waterstofbindingen kunnen ook andere bruggen geslagen worden tussen aminozuren
binnen één polypeptide-keten. Dit resulteert in een tertiaire structuur.
CH
-
Fig. 14. Voorbeelden van bindingen
die bijdragen tot de tertiaire
structuur van eiwitten.
CH3
CH3
hydrofobe en CH3
CH3
vdWaals interacties
CH
-C
H
2
disulfide
binding
-SS-C
H
2
-
O
-CH2-CH2- NH3+ -O - C- CH2 ionisc he binding
Tenslotte ontstaat een quaternaire structuur, wanneer meerdere polypeptide-ketens samen een
eiwit vormen.
Hemoglobine, bijvoorbeeld, bestaat uit vier polypeptide-eenheden, twee -eenheden en
twee -eenheden. Elk onderdeel bestaat voornamelijk uit -helixen, en omvat ook een
niet-polypeptide-deel (het heem), met een ijzeratoom dat zuurstof bindt.
Fig. 15. Hemoglobine.
-helix
ijzer+ heme
-helix
13
2.5.
Nucleïnezuren
De primaire structuur van eiwitten – de aminozuursequentie – wordt geprogrammeerd door een
eenheid van overerving : een gen. Een gen is een stukje DNA (deoxyribonucleic acid), een
polymeer die behoort tot de familie van de nucleïnezuren.
Er bestaan twee typen nucleïnezuren : DNA en RNA (ribonucleic acid). Deze moleculen staan
in voor de informatie-overdracht tussen opeenvolgende generaties organismen. DNA zorgt voor
haar eigen replicatie, voor de synthese van RNA, en via RNA, voor de eiwitsynthese.
DNA is het genetische materiaal dat organismen erven van hun ouder(s). Het bevat alle
informatie nodig om de werking van de cel te verzekeren, maar neemt niet rechtstreeks deel aan
de celactiviteit. De genen op het DNA kunnen vergeleken worden met de software van een
computer, die weliswaar alle gegevens bevat, maar toch randapparatuur nodig heeft om taken te
kunnen laten uitvoeren. In de cel worden de taken van de randapparatuur uitgevoerd door de
eiwitten.
RNA speelt een rol tussen DNA en eiwit. Elke gen op de DNA-keten stuurt de synthese van een
type RNA dat boodschapper-RNA (m-RNA, messenger RNA) wordt genoemd. Dit m-RNA geeft
de boodschap door aan de onderdelen van de cel die instaan voor de synthese van polypeptiden
(de ribosomen).
Ook nucleïnezuren zijn polymeren, bestaan uit monomeren die men nucleotiden noemt. Elke
nucleotide is zelf opgebouwd uit drie onderdelen : een stikstofbase, een pentose (een suiker met
vijf koolstofatomen) en een fosfaatgroep. Men onderscheidt twee groepen basen : pyrimidinen
en purinen. De pyrimidinen bestaan uit één ring van zes koolstof en stikstof-atomen. Tot de
pyrimidinen behoren cytosine (C), thymine (T) en uracil (U). Purine-moleculen zijn groter,
bestaan uit een zesvoudige ring gekoppeld aan een vijfvoudige ring. Adenine (A) en guanine (G)
zijn purinen. A, G en C worden in beide typen nucleïnezuren (DNA en RNA) aangetroffen; T komt
enkel voor in DNA en U enkel in RNA.
NH2
O
C
N
C
C
CH
HN
CH
C
N
H
O
Fig. 16. De pyrimidinen (boven)
en de purinen (onder).
O
C
CH
N
H
O
cytosine
CH
CH
C
N
H
O
thymine
uracil
NH2
O
C
N
HN
C CH3
CH
C
N
N
CH
N
CH
C
HC
N
H
adenine
N
H
CH
C
NH2
C
N
H
N
H
guanine
De pentose die vasthangt aan de base is ribose in DNA en deoxyribose in RNA. Suiker en base
samen noemt men een nucleoside. Toevoeging van de fosfaatgroep vervolledigt de nucleotide.
14
In de nucleïnezuren worden de nucleotiden aaneengeregen via een binding tussen de
fosfaatgroep van het ene nucleotide en de suiker van het volgende nucleotide. Een gen bestaat
uit honderden tot duizenden nucleotiden, zodat het aantal mogelijke basensequenties schier
ongelimiteerd is. De betekenis van een gen ligt gecodeerd in de specifieke sequentie van de vier
DNA-basen. De sequentie AGGTAACTT zal bijvoorbeeld tot een ander eiwit leiden dan de
sequentie CGTTTTAC.
Fig. 17. De structuur van nucleotiden en
van polynucleotiden.
base
O
-
O
P
O
O
CH2 O
-
fosfaat
groep
pentose
suiker
DNA bestaat eigenlijk uit twee ketens polynucleotiden die zich om een denkbeeldige as slingeren
in een structuur die men de dubbele helix noemt. De twee ruggegraten bestaande uit suiker- en
fosfaatgroepen zitten aan de buitenkant van de helix, de stikstofbasen zitten gepaard aan de
binnenzijde. De twee polynucleotiden-ketens (of strengen) worden bij elkaar gehouden via van
der Waalskrachten tussen de basen. De paring van de basen gebeurt niet willekeurig. Adenine
paart steeds met thymine, guanine steeds met cytosine. De basenparen van de twee strengen
zijn dus volledig complementair : een sequentie AGGTCC in de ene streng moet gespiegeld
worden door een sequentie TCCAGG in de andere streng. Deze complementariteit is essentieel
voor de replicatie van DNA en verantwoordelijk voor de overerving. In de voorbereiding van de
celdeling wijken de beide strengen uit elkaar en dienen als sjabloon voor de aanmaak van nieuwe
strengen. Deze (nagenoeg) identieke kopieën worden dan doorgegeven aan de dochtercellen.
Fig. 18. De dubbele helix-structuur van DNA.
De lineaire sequentie van de nucleotiden in DNA moleculen kan gebruikt worden om de
verwantschap tussen soorten na te gaan. Meer verwante soorten (d.w.z. soorten die
recent uit een gemeenschappelijke voorouder zijn ontstaan) zouden een grotere
overeenkomst in nucelotiden-sequentie moeten vertonen dan minder verwante soorten.
Dezelfde redenering gaat op voor de aminozuursequentie in eiwitten.
15
3. Celmetabolisme
Onder metabolisme verstaat men alle chemische processen die zich afspelen binnen een
organisme. Het metabolisme is een emergente eigenschap die ontstaat door de interactie van
moleculen in de geordende omgeving van de cel.
De metabole activiteit is georganiseerd in pathways, sterk vertakte ketens van opeenvolgende
reacties. Sommige van deze ketens (de katabole pathways) zorgen er op gezette tijdstippen
voor dat energie gegenereerd wordt, door complexe moleculen af te breken tot eenvoudige. Een
belangrijk voorbeeld is de celrespiratie, waarbij de suiker glucose wordt afgebroken tot water en
koolstofdioxide. Andere reactieketens (de anabole pathways) volgen de tegenovergestelde weg,
en wenden energie aan om ingewikkelde moleculen te synthetiseren uit eenvoudige bouwstenen.
De eiwitsynthese is hiervan een voorbeeld.
3.1.
De ATP-cyclus
Cellen verrichten drie types van arbeid : mechanische arbeid (bijvoorbeeld het bewegen van
ciliën, het samentrekken bij spiercellen, het bewegen van chromosomen tijdens de reproductie);
transport (pompen van stoffen over de membranen); en chemische arbeid (het aan de gang
houden van reacties die niet spontaan verlopen, zoals de synthese van polymeren). In de meeste
gevallen wordt de energie voor deze cellulaire arbeid geleverd door adenosinetrifosfaat (ATP).
ATP bestaat uit adenine, ribose en drie fosfaatgroepen. Wanneer één van de fosfaatgroepen van
de molecule gebroken wordt, ontstaat adenosinedifosfaat (ADP) en een molecule inorganisch
fosfaat (Pi). Er komt ook een aanzienlijke hoeveelheid energie vrij. In een proefbuisje zou deze
energie leiden tot opwarming, in de cel wordt het direct aangewend om niet-spontane reacties te
laten doorgaan. De voorraad ATP wordt hernieuwd door het toevoegen van fosfaat aan ADP. De
energie die daarvoor nodig is wordt onttrokken aan de katabole pathways.
adenine
Fig. 19. Structuur van ATP en hydrolyse
tot ADP, waarbij energie vrijkomt.
ribose
fosfaat
groepen
+ H20
+
+
E
De ATP-cyclus loopt aan een enorm tempo. Een werkende spiercel verbruikt bijvoorbeeld
zijn ganse voorraad aan ATP in één minuut. Tien miljoen moleculen ATP worden per
seconde verbruikt en geregenereerd. Mocht er geen regeneratie van ATP uit ADP
bestaan, zouden mensen dagelijks hun gewicht in ATP verbruiken.
16
3.2.
Enzymen
Chemische reacties verlopen vaak erg traag. In de chemie van de cel wordt dit probleem
opgelost door enzymen, eiwitten die de snelheid van reacties veranderen zonder zelf
geconsumeerd te worden. Enzymen helpen substraat om te zetten in product. Hun naam wordt
meestal gevormd door de stam van het product, aangevuld met de uitgang –ase. Sucrase,
bijvoorbeeld, is een enzyme dat sucrose (substraat) afbreekt tot glucose en fructose (producten).
Enzymen zijn doorgaans erg substraat-specifiek; ze kunnen slechts één reactie aanzwengelen.
Deze specificiteit komt tot stand door de unieke vorm van elk enzyme. Slechts een klein deel van
de enzyme-molecule is echt actief betrokken bij de binding van het substraat. Het gaat meestal
om een holte, een groef in het oppervlak van het enzyme. De rest van de molecule plooit zich na
binding van de actieve site nog meer rond het substraat, en brengt de chemische groepen van de
actieve kern in de ideale positie om hun werk te kunnen doen.
Fig. 20. Schematische werking van het enzyme sucrase.
sucrose
actieve site
sucrase
glucose
fructose
De efficiëntie van enzymen wordt sterk beïnvloed door omgevingsfactoren zoals temperatuur en
pH. Voorbij de optimale temperatuur of pH vervormt de enzyme-molecule al snel zodanig dat ze
haar werk niet meer kan uitvoeren.
Daarnaast hebben vele enzymen co-factoren nodig, dit zijn moleculen die het enzyme helpen bij
het afbreken van hun substraat. Het kan gaan om anorganische elementen (bijvoorbeeld zink,
ijzer, koper) of om organische moleculen. In het laatste geval spreekt men van co-enzymen
(bijvoorbeeld vele vitaminen en hun afgeleiden).
Andere stoffen staan bekend als inhibitoren van enzymen. Sommige inhibitoren lijken op de
substraat-molecule en hechten zich vast op de actieve site van het enzyme. Men spreekt dan van
competitieve inhibitoren. Andere (niet-competitieve) inhibitoren binden op een andere plaats op
het enzyme, maar veranderen de vorm van het enzyme dusdanig dat haar werking verminderd
wordt.
Sommige giffen werken via inhibitie van enzymen. De pesticiden DDT en parathion zijn
inhibitoren van sleutelenzymen van het zenuwstelsel. Vele antibiotica inhiberen de
enzymen van bacteriën. Penicilline blokkeert de actieve site van een enzyme dat
bacteriën nodig hebben om hun celwand aan te maken.
17
substraat
enzym e
c ompetitieve
inhibitor
Fig. 21. Schematische weergave
van de werking van inhibitoren.
niet-c ompetitieve
inhibitor
3.3.
Controle van het metabolisme
Wanneer alle chemische pathways in de cel tegelijkertijd zouden actief zijn, zou dit resulteren in
complete chaos. Stoffen die in één pathway gesynthetiseerd worden, zouden door andere
pathways onmiddellijk weer afgebroken worden. De cel regelt echter nauwkeurig haar
reactieketens, door te bepalen wanneer welke enzymen actief zijn. Dit kan gebeuren door de
betrokken genen aan of af te schakelen (zie verder), of door de activiteit van de enzymen te
regelen.
Veelal opereren de moleculen die instaan voor de regulatie van de enzyme-activiteit op dezelfde
manier als niet-competitieve inhibitoren; ze nestelen zich op een specifiek plekje op het enzyme
(de allosterische site) en veranderen haar vorm. Vaak gaat het om het eindproduct van de door
het enzyme bevorderde reactie, en wordt een reactie dus stopgezet als er genoeg van dat
eindproduct aangemaakt is (een vorm van feedback-regulatie).
Tenslotte wordt het metabolisme ook gecontroleerd door de specifieke locatie van de enzymen.
In eukaryote cellen zitten bijvoorbeeld alle enzymen nodig voor de respiratie bij elkaar in de
mitochondria (zie verder).
18