Mcb: Hoofdstuk 2 – Chemische basis 1 atomische bindingen en moleculaire interacties



Dovnload 25.34 Kb.
Datum24.08.2016
Grootte25.34 Kb.
MCB: Hoofdstuk 2 – Chemische basis
2.1 atomische bindingen en moleculaire interacties
Elk atoom heeft een bepaald aantal en geometrie van covalente bindingen
Elektronen worden ongelijk verdeeld in polaire covalente bindingen
Covalente bindingen zijn veel sterker en stabieler dan niet-covalente interacties
Ionische interacties zijn aantrekking tussen tegengesteld geladen ionen
Waterstofbruggen bepalen de wateroplosbaarheid van ongeladen moleculen
Van der Waals interacties worden veroorzaakt door transiente dipolen
Het hydrofobe effect doet niet-polaire moleculen kleven aan elkaar
Moleculaire complementariteit laat nauwe, sterk specifieke binding van biomoleculen toe
KEY CONCEPTS OF SECTION 2.1

atomische bindingen en moleculaire interacties

Covalente bindingen, die de atomen die een molecule vormen binden in een vaste richting, vormen paren van elektronen gedeeld door twee atomen. Een relatief hoge energie is vereist om hen te breken (50-200 kcal/mol).

In polaire bindingen, die atomen verbinden die verschillen in elektronegativiteit, worden de bindings elektronen ongelijk verdeeld. Eén einde van de polaire binding heeft een partieel positieve lading en het andere einde een partieel negatieve lading.

Niet-covalente interacties tussen atomen zijn aanzienlijk zwakker dan covalente bindingen, met bindingsenergieën van ongeveer 1-5 kcal/mol.

Vier belangrijke soorten niet-covalente interacties komen voor in biologische systemen: ionische bindingen, waterstofbruggen, van der Waals interacties en interacties te wijten aan het hydrofobe effect.

Ionische bindingingen resulteren van de elektrostatische aantrekking tussen positieve en negatieve ladingen van ionen. In waterige oplossingen worden alle kationen en anionen omgeven door een laag van gebonden watermoleculen. Verhoging van de zoutconcentratie (vb NaCl) van een oplossing kan de relatieve sterkte van ionische bindingen tussen biomoleculen verzwakken of ze zelfs breken.

In een waterstofbrug associeert een waterstof atoom covalent gebonden aan een elektronegatief atoom met een acceptor atoom wient niet-bindende elektronen de waterstof aantrekken.

Zwakke en relatief niet-specifieke van der Waals interacties worden gecreëerd telkens wanneer elke twee atomen elkaar dicht benaderen. Ze resulteren van de aantrekking tussen transiente dipalen verbonden met alle moleculen.

In een waterige omgeving worden nietpolaire moleculen of nietpolaire delen van grotere moleculen samen gedreven door het hydrofobische effect, daarbij de mate van hun direct contact met water reducerend.

Moleculaire complementariteit is de sleutel-en-slot pasvorm tussen moleculen wiens vormen, ladingen en andere fysische eigenschappen complementair zijn. Vele niet-covalente interacties kunnen gevormd worden tussen complementaire moleculen, wat hen nauw doet binden, maar niet tussen moleculen die niet complementair zijn.

De hoge graad van bindings specificiteit die resulteert van moleculaire complementariteit is één van de kenmerken die biochemie onderscheid van de typische oplossings chemie.


2.2 Chemische bouwstenen van cellen
Aminozuren die enkel verschillen in hun zijketens vormen proteïnen
Vijf verschillende nucleotiden worden gebruikt om nucelïne zuren te bouwen
Monosacchariden, gbeonden door glycoside bindingen, vormen lineaire en vertakte polysacchariden
Vetzuren zijn de precursoren voor vele cellulaire lipiden
Fosfolipiden associëren niet-covalent om de basis dubbellaag structuur van biomembranen te vormen
KEY CONCEPTS OF SECTION 2.2

Chemische bouwstenen van cellen

De drie belangrijkste biopolymeren zijn aanwezig in cellen: proteïnen, samengesteld uit aminozuren gebonden door peptide bindingen; nucleïnezuren, opgebouwd uit nucleotiden gebonden door fosfodiester bindingen en polysacchariden, opgebouwd uit monosacchariden (suikers) gebonden door glycoside bindingen.

Vele moleculen in cellen bevatten tenminste één assymmetrisch koolstof atoom, dat gebonden is aan vier verschillende atomen. Zulke moleculen kunnen bestaan als optische isomeren (spiegelbeelden), aangeduid als D en L, die verschillende biologische activiteiten hebben. In biologische systemen zijn bijna alle suikers D isomeren, terwijl bijna alle aminozuren L isomeren zijn.

Verschillen in de grootte, vorm, lading, hydrofobiciteit en reactiviteit van de zijketens van aminozuren bepalen de chemische en structurele eigenschappen van proteïnen.

Aminozuren met hydrofobe zijketens neigen zich te groeperen aan de binnenkant van proteïnen, weg van de omringende waterige omgeving; deze met hydrofiele zijketens zijn gewoonlijk richting oppervlak gericht.

De basen in de nucleotiden, die DNA en RNA vormen, zijn heterocyclische ringen gehecht aan een pentose suiker. Ze vormen twee groepen: de puines-adenine (A) en guanine (G)- en de pyrimidines-cytosine (C), thymine (T) en uracil (U). A, G, T en C vindt men in DNA en A, G, U en C in RNA.

Glucose en andere hexosen kunnen in drie vormen bestaan: een open-keten lineaire structuur, een zesring (pyranose) en een vijfring (furanose). In biologische systemen domineert de pyranose vorm van D-glucose.

Glycosidene bindingen worden gevormd tussen ofwel de α of β anomeer van één suiker en een hydroxyl groep van een andere suiker, leidend tot de vorming van disacchariden en andere polysacchariden.

De lange hydrocarbon keten van een vetzuur kan geen koolstof-koolstof dubbele binding (verzadigd) bevatten of één of meer dubbele bindingen (onverzadigd), die de keten buigen.

Fosfolipiden zijn amfipathische moleulen met een hydrofobe staart (vaak twee vetzuurketens) en een hydrofiel hoofd.

In waterige oplossing organiseren en stabiliseren het hydrofobe effect en van der Waals interacties fosfolipiden in één van de volgende drie structuren: een micel, een liposoom of een plaatachtige dubbellaag.

In een fosfolipide dubbellaag, die de basisstructuur vormt van alle biomembranen, worden vetzuurketens in elk blad georiënteerd richting elkaar, een hydrofobe kern vormend en bekleden de polaire hoofd groepen beide oppervlaaken en interageren direct met de waterige oplossing.
2.3 Chemisch evenwicht
Chemische reacties in cellen gebeuren in steady toestand (?)

Evenveel opgebruikt als geproduceerd


Dissociatie constante voor bindings reacties weerspiegelen de affiniteit van interagerende moleculen
Biologische vochten hebben karakteristieke pH waarden
Waterstofionen worden vrijgesteld door zuren en opgenomen door basen
Buffers houden de pH van intracellulaire en extracellulaire vochten in stand
KEY CONCEPTS OF SECTION 2.3

Chemisch evenwicht

Een chemische reactie is in evenwicht wanneer de snelheid van de voorwaartse reactie gelijk is aan de snelheid van de omgekeerde reactie (geen netto verandering in de concentratie van de reagentia of de producten).

De evenwichtsconstante Keq van een reactie weerspiegelt de ratio van producten tov reagentia in evenwicht en is dus een maat voor de graad van de reactie en de relatieve stabiliteiten van de reagentia en producten.

De Keq hangt af van de temperatuur, druk en chemische eigenschappen van de reagentia en producten, maar is onafhankelijk van de reactiesnelheid en van de initiële concentratie van reagentia en producten.

Voor elke reactie komt de evenwichts constante Keq overeen met de ratio van de voorwaartse snelheids constante tov de tegengestelde snelheids constante (kf/kr).

Binnen cellen gebeuren verbonden reacties in metabolische paden gewoonlijk in steady toestand, niet in evenwicht, waarbij de snelheid van vorming van de intermediairen overeenkomt met hun snelheid van consumptie.

De dissociatie constante Kd voor een reactie met betrekking op de niet-covalente binding van twee moleculen is een maat voor de stabiliteit vn het gevormde complex tussen de moleculen (vb ligand-receptor of proteïne-DNA complexen).

De pH is het negatieve logaritme van de concentratie van waterstof ionen (-log[H+]). De pH van het cytoplasma is normaal ongeveer 7,2-7,4, terwijl de binnenkant van lysosomen een pH van ongeveer 4,5 heeft.

Zuren stellen protonen vrij en basen binden hen. In biologische moleculen zijn de carboxyl en fosfaatgroepen de meest algemene zure groepen; de aminogroep is de meest algemene basische groep.

Buffers zijn mengsels van een zwak zuur (HA) en zijn overeenkomstige basische vorm (A-), die de verandering in de pH van een oplossing minimaliseeren wanneer zuur of base wordt toegevoegd. Biologische systemen gebruiken verschillende buffers om hun pH binnen een zeer nauwe variatie te houden.
2.4 Biochemische energetica
Verscheidene vormen van energie zijn belangrijk in biologische systemen
Cellen kunnen één soor energie omzetten in een andere
De verandering in vrije energie bepaalt de richting van een chemische reactie
De ΔG°’ van een reactie kan berekend worden van zijn Keq
Een ongunstige chemische reactie kan plaatsvinden als het gekoppeld is met een energetische gunstige reactie
De hydrolyse van ATP stelt aanzienlijke vrije energie vrij en drijft vele cellulaire processen
Atp wordt gegenereerd tijdens de fotosynthese en respiratie
NAD+ en FAD koppelen vele biologische oxidatie en reductie reacties
KEY CONCEPTS OF SECTION 2.4

Biochemische energetica

De verandering in vrije energie ΔG is de meest handige maat voor het voorspellen van de richting van een chemische reactie in biologische systemen. Chemische reacties neigen verder te gaan in de richting waarvoor ΔG negatief is.

Direct of indirect gevangen licht energie door fotosynthese in planten en fotosynthetische bacteriën is de fundamentele bron van chemische energie voor bijna alle cellen.

De chemische vrije-energie verandering ΔG°’ komt overeen met –2,3 RT log Keq. Dus kan de waarde van ΔG°’ berekend worden van de experimenteel bepaalde concentraties van reagentie en producten in evenwicht.

Een chemische reactie met een positieve ΔG kan plaatsvinden als het gekoppeld is aan een reactie met een negatieve ΔG van een grotere grootte.

Vele anders energetisch ongunstige cellulaire processen worden gedreven door hydrolyse van fosfoanhydride bindingen in ATP.

Een oxidatie reactie (verlies van elektronen) wordt altijd gekoppeld met een reductie reactie (winst van elektronen).

Biologische oxidatie en reductie reacties zijn vaak gekoppeld met elektronen-dragende coenzymen zoals NAD+ en FAD.

Oxidatie-reductie reacties met een positieve ΔE hebben een negatieve ΔG en neigen dus spontaan plaats te vinden.




FIGUREN H2:

Figuur 2-9

Schematische voorstelling van het hydrofobe effect

De kooien van watermoleculen die vormen rond niet-polaire moleculen in oplossing zijn meer geordend dan watermoleculen in de omgevende overmaat van liquid. De aggregatie van niet-polaire moleculen reduceert het aantal watermoleculen betrokken in sterk geordende kooien, resulterend in een hogere-orde entropie, energetisch meer gunstige toestand (rechts) vergeleken met de niet-geaggregeerde toestand (links).
Figuur 2-10

Moleculaire complementariteit en de binding van proteïnen via meerdere niet-covalente interacties

De complementaire vormen, ladingen, polariteit en hydrofobiciteit van twee proteïne oppervlakken laten meerdere zwakke interacties toe, die in combinatie een sterke interactie produceren en een nauwe binding. Omdat de afwijkingen van moleculaire complementariteit substantieel de binding verzwakken, kan elk gegeven biomolecule gewoonlijk nauw binden aan slechts één of een zeer beperkt aantal andere moleculen. De complementariteit van de proteïne moleculen links laat hen toe veel nauwer te binden dan de twee niet complementaire proteïnen rechts.
Figuur 2-13

De 20 algemene aminozuren gebruikt in het bouwen van proteïnen

De zijketen (R groep: rood) bepaalt de karakteristieke eigenschappen van elk aminozuur en ligt aan de basis van de opdeling van aminozuren in drie belangrijke categoriën: hydrofobe, hydrofiele en speciale. Getoond zijn de geïoniseerde vormen die bestaan aan de pH (+/-7) van het cytosol. Tussen haakjes staan de drie-letter en één-letter afkortingen voor elk aminozuur.
Figuur 2-15

De chemische structuren van de voornaamste basen in de nucleïne zuren



In nucleïne zuren en nucleotiden worden de stikstoffen 9 van purine en 1 van pyrimidines (rood) gebonden aan de 1’koolstof van ribose of deoxyribose. U is enkel in RNA te vinden en T enkel in DNA. Zowel RNA als DNA bevatten A, G en C.




De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2019
stuur bericht

    Hoofdpagina