Biological Molecules

Hoofdstuk 03

2010/2011

INLEIDING ORGANISCHE CHEMIEDeel 1

2

Waarom koolstof bestuderen?

• Cellen

– ~72% H2O

– ~25% koolwaterstoffen• Koolhydraten

• Vetten

• Eiwitten

• nucleïnezuren

– ~3% zouten• Na, Cl, K…

3

Organische chemie

• Organische chemie bestudeertkoolstofverbindingen

• C atomen zijn goede bouwblokken

– bindingseigenschappen

– 4 stabiele covalente bindingen

HHC

H

H

4

Koolwaterstoffen

• Combinatie van C & H

– niet-polair

• niet oplosbaar in H2O

• hydrofoob

– stabiel

– Erg weinig aantrekking tussen moleculen• een gas bij kamertemperatuur

methaan

5

Koolwaterstoffen

6

Isomeren

• Moleculen met dezelfde molecuulformule, maareen andere structuurformule

– Verschillende chemische eigenschappen

– Verschillende biologische functies

6 C

6 C

6 C

7

Vorm en functie

• Structurele verschillen belangrijk!

– aminozuur alanine• L-alanine gebruikt in eiwitten

• D-alanine niet

– medicijnen• L-version actief

• D-version niet

– Soms met tragische resultaten…

stereoisomeren8

Vorm en functie

• Thalidomide (Softenon)

– Voorgeschreven aan zwangere vrouwen in de jaren 50s & 60

– Verminderde ochtendmisselijkheid, maar…

– stereoisomeer veroorzaakte ernstige aangeborenafwijkingen

9

Diversiteit

• Vervang atomen of groepen rondom eenkoolstofatoom

– ethaan vs. ethanol

• H vervangen door een hydroxyl groep (–OH)

• Niet-polair vs. polair

• gas vs. vloeistof

• biologische effecten!

ethaan (C2H6) ethanol (C2H5OH) 10

Functionele groepen

• Delen van organische moleculen die betrokken zijn bij chemische reacties

– geven organische moleculen karakteristieke eigenschappen hydroxyl amine

carbonyl sulfhydryl

carboxyl fosfaat

• Beïnvloeden reactiviteit– Maken koolwaterstoffen hydrofiel

– Verhogen oplosbaarheid in water

11

Leve het verschil!

• Basisstructuur van mannelijke & vrouwelijkehormonen is identiek– identiek koolstofskelet

– verschillende functionele groupen

– Reageren met verschillende doelen in het lichaam

• Verschillende effecten effecten

12

Hydroxyl

• OH

– Organische verbinding met OH = alcohol

– Naam eindigt doorgaans met -ol• ethanol

13

Carbonyl

• C=O

– O heeft dubbele binding met C

• C=O aan het eind van een molecuul = aldehyde

• C=O midden in het molecuul = keton

14

Carboxyl

• COOH

– C dubbel gebonden aan O & enkel gebonden aan OH

• Verbindingen met COOH = zuren

– vetzuren

– aminozuren

15

Amine

• NH2

– N gebonden aan 2 H

• Verbindingen met NH2 = amine– aminozuren

• NH2 gedraagt zich als base

– ammonia neemt H+ op

16

Sulfhydryl

• SH

– S gebonden aan H

• Verbindingen met SH = thiol

• SH groepen stabiliseren de structuur van eiwitten

17

Fosfaat

• PO4

– P gebonden aan 4 O

• veel O = veel negatieve lading

– Sterk reactief

• Verplaatst energie tussen organische moleculen

– ATP, GTP, etc.

18

MACROMOLECULENDeel 2

19

Macromoleculen

• Kleine organische moleculen vormen samengrotere moleculen

– macromoleculen

• 4 belangijke type macromoleculen:

– koolhydraten

– vetten

– eiwitten

– nucleïnezuren

20

H2O

HO

HO H

H HHO

Polymeren

• Lange moleculen, samengesteld uit meerdereidentieke delen

– monomeren• bouwblokken

• herhaalde kleine eenheden

– covalente bindingen

21

H2O

HO

HO H

H HHO

Een polymeer bouwen

• Synthese

– Monomeren koppelen door H2O te verwijderen• een monomeer doneert OH–

• Een ander monomeer doneert H+

• Samen vormen deze H2O

– energie & enzymen nodig

enzym

Polycondensatie reactie

22

H2O

HO H

HO H HO H

Een polymeer afbreken

• Afbraak

– gebruik H2O om polymeren af te breken

• Omgekeerde polycondensatiereactie

• Telkens één monomeer afsplitsen

• H2O wordt gesplitst in H+ en OH–

– enzymen nodig

– afgifte van energie

enzym

Hydrolyse reactie

23

KOOLHYDRATENDeel 3

24

Koolhydraten

• Opgebouwd uit C, H, O

– CH2Ox

• Functie:u energie u energie opslag

u bouwstoffen u vezels

• Monomeer: suikers

• Voorbeelden: suikers, zetmeel, cellulose

25

Suikers

• Meeste namen van suikers eindigen op –ose

• Indeling op basis van aantal C-atomen

– 6C = hexose (glucose)

– 5C = pentose (ribose)

– 3C = triose (glycerylaldehyde)

26

Functionele groepen

27

Suiker structuur

• 5C en 6C suikers vormen ringen in oplossing

28

Nummering C-atomen

C

CC

C

C

C

1'

2'3'

4'

5'

6'

O

Energie is opgeslagen in C-C bindingen

29

Eenvoudig en complexe suikers

• Monosacchariden

– Eenvoudige 1 monomeer suiker

– Glucose

• Disacchariden

– 2 monomeren

– Sucrose

• Polysacchariden

– Grote polymeren

– Zetmeel

30

Suikers bouwen

• Polycondensatie reactie

1)

2)

31

Polysacchariden

• Polymeren van suikers

– Weinig energie nodig om te bouwen

– Gemakkelijk weer af te breken = afgifte energie!

• Functie

– Opslag energie• Zetmeel (planten)

• Glycogeen (dieren)

– In lever en spiercellen

– Structuur• Cellulose (planten)

• Chitine (insecten, schimmels)

32

• Structuur suiker bepaalt functie

In zetmeel in cellulose

Polysaccharide – vorm vs. functie

33

Polysaccharide – vorm vs. functie

• Structuur suiker bepaalt functie

34

Nuttige bacteriën

• Cellulosevertering in herbivoren– Bacteriën leven in het maagdarmkanaal & helpen met het verteren

van cellulose-rijk materiaal

35

VETTENDeel 4

36

Vetten

• Opgebouwd uit C, H, O

– Lange koolwaterstofstaarten (H-C)

• Verwante groepen

– vetten

– fosfolipiden

– steroïden

• Vormen geen polymeren

– Grote moleculen gemaakt van kleinere eenheden

– Geen continue streng

37

Vetten

• Structuur:

– glycerol (3C alcohol) + vetzuur• vetzuur = lange HC “staart” met carboxyl (COOH) “kop”

38

Vetten bouwen

• Triacylglycerol

– 3 vetzuren verbonden aan glycerol

– ester binding = tussen OH & COOH

39

Polycondensatie reactie

Condensatie reactie

40

Vet is een energiebron

• Lange HC streng

– polair of niet-polair?

– hydrofiel of hydrofoob?

• Functie:

– Opslag energie• geconcentreerd

• 2x koolhydraten

– Bescherming organen

– Isolatie lichaam

41

Verzadigde vetten

• Alle C gebonden aan H

• Geen C=C bindingen

– Lange, rechte ketens

– Meestal dierlijk vet

– Vast bij kamertemperatuur• Draagt bij aan hart- en vaatziekten

(atherosclerosis)

42

Onverzadigde vetten

• C=C bindingen in de vetzuren

– Planten en vis

– Plantaardige oliën

– Vloeibaar bij kamertemperatuur

43

Fosfolipiden

• Structuur:

– glycerol + 2 vetzuren + PO4

• PO4 = negatief geladen

44

Fosfolipiden

• Hydrofoob of hydrofiel?

– vetzuurstaarten = hydrofoob

– PO4 kop = hydrofiel

– gespleten “persoonlijkheid”

Interactie met H2O is complex & heel

belangrijk!

45

Fosfolipiden in water

• Hydrofiele koppen “aangetrokken” tot H2O

• Hydrofobe staarten “verstoppen” zich voor H2O

– Maken automatisch “belletjes” • belletje = “micel”

• Kan ook een dubbel membraan vormen

Dubbel membraan

water

water46

Waarom belangrijk?

• Fosfolipiden creëren een barrière in water

– Bepaalt buiten- en binnenkant

– Dit maakt celmembranen!

47

Steroïden

• Structuur:

– 4 gefuseerde C ringen + ??• verschillende steroïden gecreëerd door verschillende

functionele groepen aan de ringen te koppelen

• Verschillende structuren creëren een verschillende functies

– voorbeeld: cholesterol, geslachtshormonen

cholesterol

48

Cholesterol

• Belangrijke component van de cel

– Dierlijke celmembranen

– Voorloper van alle andere steroïden• Inclusief geslachtshormonen van vertebraten

– Hoge niveaus in het bloed kunnen leiden tot hart- en vaatziekten

49

Cholesterol geslachtshormoon

50

EIWITTENDeel 5

51

Eiwitten

• Qua structuur en functie meest diverse groep

• Functie: bij bijna alle processen betrokken

– enzymen (pepsine, DNA polymerase)

– structuur (keratine, collageen)

– dragers & transport (hemoglobine, aquaporine)

– celcommunicatie• signalen (insuline & andere hormonen)

• receptoren

– verdediging (antilichamen)

– beweging (actine & myosine)

– opslag52

Eiwitten

• Structuur

– monomeer = aminozuur• 20 verschillende aminozuren

– polymeer = polypeptide• Eiwit kan opgebouwd zijn uit één of meer polypeptide ketens

• Grote & complexe moleculen

• Complexe 3-D vorm

53

Aminozuur

• Structuur

– Centrale C

– amine groep

– carboxyl groep (acid)

– R groep (zijketen)• variabele groep

• Verschillend voor elk aminozuur

• Geeft unieke chemische eigenschappen aan elk aminozuur

– als 20 verschillende letters van een alfabet

– Kan vele verschillende woorden (eiwitten) maken

—N—

H

H

C—OH||O

R

|

—C—|

H

54

R groepen:niet-polaire aminozuren

Waarom niet-polair & hydrofoob?55

R groepen: polaire aminozuren

Waarom polair & hydrofiel?56

R-groepen met zwavel (S)

• Vormen zwavelbruggen– Covalente verbindingen tussen sulfhydryl (SH)

– Versterkt 3-D structuur

57

Eiwitten bouwen

• Peptide binding– covalente binding tussen NH2 (amine) van één

aminozuur & COOH (carboxyl) van een ander aminozuur

– C–N binding

58

Eiwitten bouwen

• Polypeptide keten heeft een richting

– N-terminus = NH2 eind

– C-terminus = COOH eind

– Herhaalde sequentie (N-C-C) bepaalt de polypeptide “ruggengraat”

59

Eiwitstructuur & functie

• Functie hangt af van de structuur

– 3-D structuur• Gedraaid, gevouwen, gerold in een unieke vorm

hemoglobine

collageen

pepsine

60

Primaire structuur

• Volgorde van aminozuren in keten

– Volgorde bepaald door het gen (DNA)

– Kleine verandering in volgorde kan de structuur en functie veranderen• Zelfs de verandering van één minozuur kan een

enorm gevolg hebben!

lysozym: enzym in tranen wat bacteriëndoodt 61

Sikkelcel anemie

Hydrofiel! Hydrofoob!

62

Secundaire structuur

• “Locale vouwen”

– Vouwen in korte secties van een polypeptide

– Interactie tussen aminozuren die vlak bij elkaar liggen• waterstofbruggen

– Zwakke bindingen tussenR groepen

– Vormt een deel van de 3-D structuur

• -helix

• -plaat

63

Tertiaire structuur

• “Vouwen in gehele keten”

– Interacties tussen aminozuren die ver van elkaar afliggen• hydrofobe interacties

– cytoplasma is waterig

– Niet-polaire aminozuren“verbergen” zich voorwater

• waterstofbruggen & ionbindingen

• zwavelbruggen– Covalente verbindingen tussen

sulfhydryl (SH)

– Versterkt 3-D structuur

64

Quaternaire structuur

• Meer dan één polypeptide keten verbonden– Dit maakt een polypeptide tot een functioneel eiwit

• Hydrofobe interacties

collageen hemoglobine65

Samenvatting eiwitstructuur

66

Denaturatie

• Ontvouwen van een eiwit

– Omstandigheden die waterstofbruggen, ionbindingenen zwavelbruggen verbreken• temperatuur

• pH

• saliniteit

– Verandert 2° & 3° structuur• Verandert 3-D vorm

– Functionaliteit gaat verloren

67

NUCLEÏNEZURENDeel 6

68

Nucleïnezuren

• Functie:

– genetisch materiaal

• Bevat informatie– Genen

– Blauwdruk voor eiwitsynthese

» DNA RNA eiwit

• draagt informatie over– Blauwdruk voor nieuwe cellen

– Blauwdruk voor nieuwe generatie

69

AA

A

A

TC

G

CG

T

GC

T

70

Nucleïnezuren

• Voorbeelden:

– RNA (ribonucleïnezuur)• enkele helix

– DNA (deoxyribonucleïnezuur)• dubbele helix

• Structuur:

– monomeren = nucleotiden

71RNADNA

Nucleotiden

• 3 onderdelen

– stikstofbase (C-N ring)

– pentose (5C)• ribose in RNA

• deoxyribose in DNA

– fosfaat (PO4) groep

72

Type nucleotiden

• 2 type nucleotiden

– Verschillende stikstofbasen

– purines• dubbele ring

• adenine (A)

• guanine (G)

– pyrimidines• enkele ring N

• cytosine (C)

• thymine (T)

• uracil (U)

73

Paren van nucleotiden

• Nucleotiden binden tussen 2 DNA strengen

– waterstofbruggen

– purine :: pyrimidine

– A :: T

• 2 waterstofbruggen– G :: C

• 3 waterstofbruggen

74

DNA molecuul

• Dubbele helix

– waterstofbruggen tussen de basenvan beide strengen

• A :: T

• C :: G

75

Wanneer wordt DNA gekopieerd?

• reproductie cel

– mitose

• productie gameet

– meiose

76

Opmerkelijk…

• Ratio van A-T::G-C beïnvloedt stabiliteit van een DNA molecuul

– 2 H-bruggen vs. 3 H-bruggen

– hoge T° organisme• veel G-C

77

Opmerkelijk…

• ATPAdenosine triphosphate

• Aangepaste nucleotide– adenine (AMP) + Pi + Pi

++

78

SamenvattingMacromoleculen

Koolhydraten

• Structuur / monomeer

– monosaccharide

• Functie

– energie

– bouwstoffen

– Energie opslag

– vezels

• Voorbeeld

– glucose, zetmeel, cellulose, glycogeen

80

Vetten

• Structuur / bouwstenen

– glycerol, vetzuur, cholesterol, H-C keten

• Functie

– Energie opslag

– membranen

– hormonen

• Voorbeelden

– Vet, fosfolipiden, steroïden

81

Eiwitten

• Structuur / monomeer– aminozuren

– Verschillende structuurniveau’s

• Functie– enzymen - afweer

– Transport - structuur

– signalen - receptoren

• Voorbeelden– pepsine, membraankanalen, insuline, actine

82

Nucleïnezuren

• Structuur/ monomeer

– nucleotide

• Functie

– Opslag/overdracht informatie

• Voorbeelden

– DNA, RNA

83

Einde