Chemische samenstelling van een cel
Levend weefsel en een klont grond bevatten dezelfde soorten elementen (koolstof, waterstof, zuurstof, stikstof…), maar levend weefsel bevat veel meer koolstof en waterstof. Om de koolstofverbindingen te vinden, doen we een eenvoudige analyse:
- Maal levend weefsel fijn met trichloorazijnzuur (Cl₃CCOOH) tot een brij.
- Zeef de brij door doek of watten.
- De vloeistof die doorloopt = zuuroplosbare pool (filtraat): kleine moleculen zoals aminozuren, suikers en nucleotiden.
- Wat achterblijft = zuuronoplosbare pool (residu): eiwitten, nucleïnezuren, polysachariden en lipiden.
Als je weefsel verbrandt (verassen), verdwijnen alle koolstofverbindingen; de as bevat anorganische elementen (Ca, Mg) en verbindingen zoals sulfaat en fosfaat.
Micromoleculen hebben een molecuulmassa van 18–800 Da en zitten in de oplosbare pool. Macromoleculen (biomacromoleculen) zijn groter dan 10.000 Da: eiwitten, nucleïnezuren en polysachariden. Lipiden zijn kleiner dan 800 Da, maar zitten toch in de onoplosbare pool omdat kapotte membranen bij het fijnmalen onoplosbare blaasjes vormen.
Gemiddelde cel naar gewicht: water 70–90%, eiwitten 10–15%, nucleïnezuren 5–7%, koolhydraten 3%, lipiden 2%, ionen 1%.
Eiwitten: ketens van aminozuren
Een aminozuur heeft een centraal koolstofatoom (α-koolstof) met vier groepen: waterstof, een aminogroep (–NH₂), een carboxylgroep (–COOH) en een variabele R-groep. De R-groep bepaalt welk aminozuur het is: R = H is glycine, R = CH₃ is alanine, R = CH₂OH is serine. Op basis van de amino- en carboxylgroepen zijn ze zuur (glutaminezuur), basisch (lysine) of neutraal (valine); sommige zijn aromatisch (tyrosine, fenylalanine, tryptofaan). In oplossing draagt het aminozuur bij een bepaalde pH zowel + als – ladingen: een zwitterion.
Aminozuren worden verbonden door peptidebindingen (–CO–NH–), waarbij water vrijkomt, tot polypeptiden. Een eiwit is een heteropolymeer van maximaal 20 soorten aminozuren. Essentiële aminozuren moet je via voeding binnenkrijgen; niet-essentiële maakt het lichaam zelf.
Vier niveaus van structuur
- Primair: de volgorde van aminozuren, van het N-uiteinde (eerste) tot het C-uiteinde (laatste).
- Secundair: delen van de keten krullen op tot een rechtsdraaiende helix (of vormen platen).
- Tertiair: de keten vouwt zich op als een kluwen wol – de 3D-vorm die nodig is om te werken.
- Quaternair: twee of meer ketens passen op elkaar. Menselijk hemoglobine = 2 α + 2 β subeenheden.
Taken: collageen (het meest voorkomende eiwit bij dieren) en RuBisCO (het meest voorkomende eiwit in de biosfeer); trypsine (enzym), insuline (hormoon), antilichamen (afweer), GLUT-4 (brengt glucose de cel in), receptoren (voelen geur, smaak, hormonen).
Koolhydraten (polysachariden)
Suikers bestaan uit C, H en O. Glucose en ribose zijn monosachariden. Twee ervan vormen via een glycosidebinding een disacharide (sacharose, lactose, maltose). Lange ketens zijn polysachariden, te vinden in de zuuronoplosbare pool.
- Zetmeel – voedselvoorraad van planten; de kronkels (helices) houden jodium vast en geven een blauwe kleur.
- Cellulose – een homopolymeer van glucose in plantencelwanden (katoen, papier); geen helices, dus geen blauwe kleur met jodium.
- Glycogeen – voedselvoorraad van dieren, sterk vertakt.
- Inuline – een polymeer van fructose.
- Chitine – een complex polysacharide van aminosuikers (zoals glucosamine) in het uitwendig skelet van insecten en in schimmelwanden.
In een polysachariderketen is het rechteruiteinde het reducerende uiteinde en het linkeruiteinde het niet-reducerende uiteinde.
Lipiden (vetten)
Lipiden lossen niet op in water. Een vetzuur is een carboxylgroep aan een koolstofketen (R-groep); palmitinezuur heeft 16 koolstofatomen inclusief het carboxylkoolstofatoom, arachidonzuur 20. Zonder dubbele bindingen is het verzadigd; met een of meer dubbele bindingen is het onverzadigd. Glycerol (trihydroxypropaan) draagt maximaal drie vetzuren: mono-, di- en triglyceriden (vetten en oliën – oliën smelten bij lagere temperatuur, bijvoorbeeld sesamolie). Fosfolipiden zoals lecithine hebben een fosfaatgroep en vormen celmembranen. Zenuwweefsel bevat complexere lipiden. Lipiden zijn strikt genomen geen macromoleculen of polymeren.
Nucleïnezuren
Een nucleotide heeft drie delen: een stikstofbase, een pentosesuiker en een fosfaat. Alleen base + suiker = nucleoside (adenosine, guanosine, thymidine, uridine, cytidine).
- Purines (twee ringen): adenine, guanine. Pyrimidines (één ring): cytosine, thymine, uracil.
- DNA: desoxyribose als suiker, basen A, G, C, T; dubbele helix – A paart met T via 2 waterstofbruggen, G met C via 3.
- RNA: ribose als suiker, basen A, G, C, U; meestal enkelstrengs.
In een nucleïnezuur verbindt het fosfaat het 3′-koolstofatoom van de ene suiker met het 5′-koolstofatoom van de volgende: een fosfodiesterbinding. Het Watson–Crick-model (B-DNA): de twee strengen lopen antiparallel, één volledige draai bevat 10 basenparen, de stijging per basenpaar is 0,34 nm en een draai is 3,4 nm lang.
Enzymen: soorten, eigenschappen en werking
Enzymen zijn biologische katalysatoren – bijna alle zijn eiwitten; een paar nucleïnezuren werken ook als enzym en heten ribozymen. Ze versnellen reacties en komen er onveranderd uit.
Hoe ze werken
Elk enzym heeft een actief centrum, een holte waar het substraat in past. E + S → ES (enzym–substraatcomplex) → EP → E + P. Om een reactie te starten is energie nodig – de activeringsenergie. Het enzym verlaagt die, zodat de reactie veel sneller gaat. Voorbeeld: koolzuuranhydrase laat CO₂ + H₂O → H₂CO₃ ongeveer 10 miljoen keer sneller verlopen (ongeveer 600.000 moleculen per seconde in plaats van ongeveer 200 per uur).
Factoren die de enzymactiviteit beïnvloeden
- Temperatuur en pH: elk enzym heeft een optimum. Lage temperatuur houdt het een tijdje inactief; hoge temperatuur denatureert het (vernietigt de vorm).
- Substraatconcentratie: de snelheid stijgt en vlakt dan af bij Vmax als alle actieve centra bezet zijn. Km = substraatconcentratie bij de helft van Vmax.
- Remmers: een competitieve remmer lijkt op het substraat en blokkeert het actieve centrum – bijvoorbeeld malonaat blokkeert succinaatdehydrogenase. Zulke remmers worden gebruikt om bacteriën te bestrijden.
Zes klassen
- Oxidoreductasen/dehydrogenasen – verplaatsen H of elektronen tussen twee substraten.
- Transferasen – verplaatsen een groep (geen H) tussen substraten.
- Hydrolasen – breken ester-, ether-, peptide-, glycoside-, C–C- of P–N-bindingen met behulp van water.
- Lyasen – halen groepen weg zonder water en laten dubbele bindingen achter.
- Isomerasen – zetten het ene isomeer om in het andere.
- Ligasen – verbinden twee stoffen (bijvoorbeeld C–O-, C–S-, C–N-, P–O-bindingen).
Cofactoren
Het eiwitdeel is het apo-enzym. Veel enzymen hebben een niet-eiwit-helper nodig: een prosthetische groep (stevig gebonden, bijvoorbeeld haem in peroxidase en catalase), een coënzym (los gebonden, vaak afkomstig van vitamines, bijvoorbeeld NAD en NADP bevatten niacine) of een metaalion (bijvoorbeeld zink voor carboxypeptidase). Haal je de cofactor weg, dan stopt het enzym met werken.
Probeer zelf: zie een enzym aan het werk
Kauw twee minuten op een klein stukje gewoon brood of gekookte rijst zonder door te slikken – het gaat zoet smaken, omdat amylase in het speeksel zetmeel afbreekt tot suiker. Test nu het effect van hitte: doe een druppel jodium op een plak rauwe aardappel (blauwzwart = zetmeel). Snijd daarna een rauwe en een gekookte aardappel door en doe op elk een druppel waterstofperoxide (uit de drogist); de rauwe schuimt, omdat het enzym catalase werkt; de gekookte schuimt nauwelijks, omdat hitte het enzym heeft gedenatureerd. Vergelijk dit met stap 6 van de 3D.
Belangrijke formules en begrippen
- Zuuroplosbare pool: micromoleculen (18–800 Da); zuuronoplosbare pool: eiwitten, nucleïnezuren, polysachariden (> 10.000 Da) + lipiden
- Aminozuur: α-koolstof + H + –NH₂ + –COOH + R-groep
- Peptidebinding: –CO–NH–; glycosidebinding (suikers); esterbinding (vetten); fosfodiesterbinding (nucleïnezuren)
- Eiwitstructuur: primair → secundair → tertiair → quaternair
- Nucleotide = base + pentosesuiker + fosfaat; nucleoside = base + suiker
- E + S ⇌ ES → EP → E + P
- Enzymklassen: oxidoreductasen, transferasen, hydrolasen, lyasen, isomerasen, ligasen
- Holo-enzym = apo-enzym + cofactor (prosthetische groep / coënzym / metaalion)
Uitgewerkte voorbeelden
1. Leverweefsel wordt in trichloorazijnzuur fijngemalen en gefilterd. In welke fractie vind je (a) glucose, (b) DNA, (c) fosfolipiden?
(a) Glucose is klein → filtraat (zuuroplosbare pool). (b) DNA is een macromolecuul → residu (zuuronoplosbaar). (c) Fosfolipiden zijn klein, maar kapotte membranen vormen blaasjes, dus ze blijven ook in de zuuronoplosbare pool.
2. Een DNA-stuk heeft 20 basenparen. Hoeveel volledige draaien maakt de dubbele helix en hoe lang is het stuk?
Eén draai = 10 bp, dus 20 ÷ 10 = 2 draaien. Lengte = 20 × 0,34 nm = 6,8 nm.
3. Een DNA-molecuul heeft 30% adenine. Bereken het percentage guanine.
A = T, dus T = 30%. A + T = 60%, dus G + C = 40%. G = C, dus G = 20%.
4. Noem het niveau van eiwitstructuur: (a) de volgorde van aminozuren, (b) 4 ketens in hemoglobine, (c) de helix.
(a) Primair, (b) quaternair, (c) secundair.
5. Een enzym verbindt twee DNA-stukken door een P–O-binding te vormen. Tot welke klasse hoort het?
Het verbindt twee moleculen via een nieuwe binding → ligase (DNA-ligase).
6. Een enzym heeft Vmax = 100 eenheden. Bij welke snelheid is de substraatconcentratie gelijk aan Km?
Km is de substraatconcentratie waarbij de snelheid de helft van Vmax is: 100 ÷ 2 = 50 eenheden.
Veelgemaakte fouten
- Lipiden macromoleculen noemen. Ze zijn kleiner dan 800 Da; ze komen alleen in de zuuronoplosbare pool doordat membranen blaasjes vormen.
- Denken dat lage temperatuur enzymen denatureert. Kou maakt ze maar een tijdje inactief; hoge temperatuur vernietigt de vorm.
- Nucleoside en nucleotide door elkaar halen: een nucleoside heeft geen fosfaat; nucleotide = nucleoside + fosfaat.
- Zeggen dat cellulose blauw wordt met jodium. Alleen zetmeel doet dat, omdat de helices jodium vasthouden; cellulose heeft geen helices.