Weijnen - Basiskennis Scheikunde& Natuurkund
description
Transcript of Weijnen - Basiskennis Scheikunde& Natuurkund
-
Farmaca& Gedrag
BASISKENNIS SCHEIKUNDE & NATUURKUNDE
ATOMEN
A-1
De in denatuurvoorkomendematerie- vast,vloeibaarof gasvormig- is opgebouwduit eenbeperktaantal(ongeveer90) basisstoffen:elementen.Deze zijn chemischniet verderteontledenin anderestoffen.Het kleinstedeeltjevanzo'nelementheet:atoom.Atoomnamenwordenmeestalaangeduidmetsymbolen,dieuiteenof tweelettersbestaaneninternationaalgeaccepteerdzijn. Levendematerieis voornamelijkopgebouwduit eenviertalelementen:
Atoom:
zuurstofkoolstofwaterstofstikstof
Symbool:
oCHN
Aandeelin lichaamsgewicht(persoonvan70kg):
61,4%22,9%10,0%2,6%
Totaal: 96,9%
Verder zijn ondermeernog van belang:calcium(Ca), fosfor (P), kalium(K), zwavel(S),natrium(Na),chloor (Cl) enmagnesium(Mg).
Natuurkundigonderzoekheeftgeleerddatdezeatomenzijn opgebouwduit eendrietalbouwstenen:protonen,neutronenenelektronen,dieelementairedeeltjeswordengenoemd.Deze deeltjeszijn - elektrischgezien- respectievelijkpositief,neutraalennegatiefgeladen.Het aantalbouwstenenis specifiekvoor eenbepaaldatoom.De protonenen neutronenbevindenzich in de kern van het atoom;de elektronendraaiener omheen.Voor de
chemische eigenschappenvan een atoom is het aantal protonen bepalend (hetatoomnummer);het aantalelektronenis hieraangelijk. Omdat er per atoom evenveelprotonenalselektronenzijn, is eenatoomelektrischnietgeladen.VariantenvanhetzelfdeelementverschilIenonderlingin het aantalneutronendatze bezitten;ditwordenisotopengenoemd.Ze verschillendoor dit afwijkendeaantalneutronenonderlingin hun atoommassa(vroegeratoomgewichtgenoemd).De eenheidwaarindeatoommassauitgedruktwordtisdedalton,protonenenneutronentelIenhieringelijkwaardigmee.Een daltonkomtovereenmetdemassavanhetwaterstofatoom(officieelis eendalton1/12 deelvandeatoommassavan12C dat6protonenen6 neutronenbevat).
Voorbeeld:Hetkleinsteatoomiswaterstof.Hetheefteenprotoneneenelektron(Fig.3).Er bestaandrieisotopenvan.De meestvoorkomendeisotoopheeftgeenneutronenin zijnkern.DeuteriumCZH,zwarewaterstof)iseenstabielewaterstof-isotoop,hetheeftereen.Nietalleisotopenzijnstabiel;erbestaanookinstabiele,radioactieveisotopenzoalsdederdewaterstofisotoop:tritiumeH),dattweeneutronenheeft.Tritiumvervaltlangzaamtothetelementheliumenzendtdaarbijradioactievestralinguit.Koolstofheeftatoomnummer6enheeftdus6protonen.MetJ2Cwordtdekoolstof-isotoopaangeduiddie6protonen(enelektronen)en6neutronenheeft.14C heeft2neutronenextra,dus8in totaal.
Er bestaanook positronen.Dit zijn deeltjesmetdezelfdemassaalselektronen,maarmeteentegengesteldelading.Hun eigenschappenwordengebruiktbij beeldvormendetechniekenals PET(positronemissiontomography)enSPECT (singlepositronemissioncomputedtomography).Positronenwordengeproduceerdbijhetvervalvanradioactieveisotopen.
Copyright 200S-aJan A.W.M. Weijnen,Tilburg
-
Basiskennisscheikunde& natuurkunde A-2
Atomen komen in het algemeenniet gdsoleerdvoor, maar in met elkaarverbondeneenheden:moleculen(bijlageA-S).
BINDINGSKRACHTEN TUSSEN ATOMEN EN MOLECULEN
Atomen zijn opgebouwduit eenpositiefgeladenkernmetdaaromheendraaiendenegatiefgeladenelektronen.De elektronenbewegenzich rond dekernin zogenaamdeschillen.Deeersteschil kan er maximaaltweebevatten,de volgendeschil acht.Als de buitensteschilgeheelgevuldis,isdestabiliteitgroot.Dezesituatiekomtvoor bij edelgassenalshelium(He)enneon(Ne).De atomenvandezegassenhebbenrespectievelijk2 en2+8elektronen;hunbuitensteschilis dusgevuld.
Fig.1 Methaan:CH4
HIH-1f-H
H
H
H
HICIH
COVALENTE BINDINGElektronenspeleneenbelangrijkerol bij debindingtussenatomen.Ze hebbeneenneigingtotpaarvorming,waarbijbeideelektroneneentegengesteldedraairichtinghebben.Atomenkunnenhierbijgebruikmakenvan elkaarselektronen.Waterstofheefteenelektronin deeersteschilenkoolstofheeftervier in zijn tweedeschiI.
Van beideatomenis debuitensteschildusnietgevuld.Een stabielebindingkan gevormdworden tusseneenatoomkoolstof en vieratomen waterstofdoor het delenvan vier elektronenparen.Elkelektronenpaarkan men toerekenenaan beide atomen. Debindingendiehierbijontstaanzijn,hetencovalentebindingen.
Door het ontstaanvan gemeenschappelijkeWate:rstof:-Helektronenparenis zowelde eersteschilvanwaterstofalsde tweedeschil van koolstof geheelgevuld,met respectievelijktwee en acht Zuurstof: -0-elektronen,zoals in Fig. 1 gdllustreerdwordt (Let op: de twee Stikstof: -N-elektronenin de eersteschilvan koolstof zijn niet aangegeven).Het Iaantalbindingsmogelijkhedenperatoom(hetaantalelektronen-paren Koolstof: -e-datgedeeldwordt),decovalentie,kanverschillenperatoomsoort.Deze Ibindingenwordenin illustratiesdikwijlsmetstreepjesaangegeven.In F!g',2 CovalenteFig. 2 zienwe dusdatkoolstofvierongepaardeelektronenheeft. bmdmgen.
Fig.3 NaCl(keuken)zout.
l- ...-- ...
If' .''''-~"/ ;'4 .......... \ ..
+ i :Cl'. ~~ I r II " ..: f. " . t. ..- ~
..............-_ ..
, "0._"J' 11; .~.. - .
/,. .. II I '" . , .: .: ,1 Na". ~ :I r ~ ""._' i '". '. ,-,
"", '-- ...- .
.... - ~-_... - "
IONENBINDINGDe wijzewaaropeenelektronenpaargedeeldwordt is nietaltijdgelijkvoor elkebinding.Bijeencovalentebinding tussentweeC-atomenbehoort het paarin gelijkematetot beideatomen.Verplaatsteenelektronzich van het enenaarhet andereatoom,en behoorthetelektronenpaardaardoorgeheelaaneenvandetweeatomen,danontstaaner ionen.Dit isbijvoorbeeldbij debindingtussennatriumenchloorhetgeval.Hierbij is erdussprakevaneenalgeheleoverdrachtvaneenelektron(Fig.3).
Natrium (Na),dat11elektronenheeft,respectievelijk2,8en 1 in zijn drie schillen,verliesthierbijzijn eneelektronuit debuitensteschil.Het is eenelektronendonor.Chloor
(Cl)heeft17elektronen(respectievelijk2,8en7).Het vultzijn zeven elektronenaan tot acht. Chloor is dus eenelektronenacceptor.Door deoverdrachtvanhetnegatiefgeladenelektron hebben de afzonderlijkeatomen eenelektrischelading gekregen.N a+ is positief, en cr isnegatiefgeladen.Het worden ionengenoemd:kationenenanionen.Een kation is positiefgeladen,eenanionheeft
eennegatievelading.Een atoomkanook tweeelektronenmissen,zoals:Ca++.
-
Basiskennisscheikunde& natuurkunde A-3
Door deaantrekkingskrachttussendetegengesteldgeladenionenbestaatereenbinding:de ionenbinding.Natriumchloride(NaCl), beterbekendals (keuken)zout,ontstaatdoorbindingvanN a+metCL In eenoplossingkandezebindinggemakkelijkverbrokenworden,waardoordeionenzich los vanelkaargaanbewegen:ioniseren.
Ionenkomenweverdertegenalswehethebbenoverzurenenbasen.Een zuuris eenstofdiewaterstof-ionenkanafstaanaaneenanderestof,bijvoorbeeldaaneenbase,wantdatisjuisteenstofdiedezeionenkanopnemen.De matevanzuurheidwordt aangeduidmetdezuurgraad(bijlageA-21).
VANDERW AALSBINDING (MOLECUULBINDING)Ook moleculentrekkenelkaaraan.Dezekrachtiszwak,maarneemttoebij eengroteremassavanhetmolecuul(somvan de atoommassa's(bijlageA-l). Bij eenstijgingvande temperatuurwordtdezebindingskrachtoverwonnendoordetoenamevandebewegingvandemoleculen.Bij oplossenwordenvanderwaalsbindingenook verbroken.
WATERSTOFBINDING
Zuurstof kan beidebindingsmogelijkhedenbezettenmetwaterstof.We hebbendan eenmolecuulwater:H-O-H, meestalaangeduidalsH20. Aan dezebindingis ietsbijzondersoptemerken.De elektronenparenvandezecovalentebindingenwordensterkerdoorzuurstofdandoor waterstofaangetrokken.Bovendienbevindendetweewaterstofatomenzich nietpreciesaanweerszijdenvan hetzuurstofatoom,maardichterbij elkaaraaneenkant.Hetgevolgis datdenegatieveladingvandeelektronenenigszinsverschovenis naarzuurstof,enhetgebiedjerond dewaterstofatomenrelatiefpositiefgeladenis.Men spreektdanvan eenpolair molecuulgenoemd.Aan dezenegatievezijdevanhetmolecuulkaneenwaterstof-ion(proton)ingevangenworden.Door opnemenvan eenproton kan er het hydronium-ionontstaan:
H20 +H+"""H30+
In plaatsvan het opnemenvan eenproton kan er door zuurstofuit het bovenstaandevoorbeeldeenzwakkebindingaangegaanwordenmetwaterstofatomenvananderepolairemoleculen.Zo ontstaaner ook verbindingentussenwatermoleculen.Men noemtdit dewaterstofbindingof waterstofbrug.Als water het kookpunt bereikt, verbreken dezeverbindingenen kunnen de watermoleculenals stoom ontsnappen.Hoe meer polairebindingeneen$tofheeft,hoe beterdewateroplosbaarheidervanis; men spreektdanvanlydrofielestoffen.Omdathetwatermolecuulpolairis, kunnenioniseerbarestoffenergoedinoplossen.Vetoplosbare(lipofiele)stoffenhebbenin principegeenpolairebindingen.Stoffendiezoweleenpolairalseenlipofiel deelhebbennoemtmenamfipathisch.
Bij hetvormenvanderuimtelijkestructuurvaneenmolecuulspelenwaterstofbruggeneenrol.De waterstofbindingisnetalsdevanderwaalsbindingbelangrijkzwakkerdandecovalentebindingenkandaardoormakkelijkerverbrokenworden.
Nietalleenbijdebindingtussenzuurstof-enwaterstofatomen,maarbijvoorbeeldoaktussenstikstof-enwaterstofatomenkomenditverschijnselvoor.NetalsbijH20 isbijNH3 (ammonia)deelektrischeladingvanhetmolecuuloakniethomogeenverdeeld.Deelektronenbehorenweermeertothetstikstofatoom.Oakdewaterstofatomenbevindenzichweernietsymmetrischomhetstikstofatoom.Hetmolecuulishierdoorenigszinspositiefaandezijdewaardedriewaterstofatomenzichbevinden,enzwaknegatiefaandestikstofkant.Aandezenegatievezijdekaneenwaterstof-ion(proton)ingevangenwarden.HierbijontstaatNH4 + (ammonium),datzichalseeniongedraagt.
Letop:Debindingtussenkoolstofatomenonderlingentussenkoolstof-enwaterstofatomenisnietpolair.
-
Basiskenrusscheikunde&natuurkunde A-4
RADICALEN
Radicalenzijninstabieleatomen,moleeulenof ionendieeenof meerongepaardeelektronenin de buitenstesehil hebben (Fig. 4). Wordt een eovalenteverbindingverbroken,enbehoudenbeidedeleniedereenelektronvan hetgedeeldepaar,danwordenhierbij tweeradicalengevormd.In Fig. 4 hebbenhetwaterstof-enzuurstofatoomendeOH-groep eenongepaardelektronin debuitenstesehilenzijndusradiealen.Ook isaangegevendathet0 H--ion eenelektronheeftingevangenendathetH-ion ereenheeftafgestaan.Radiealen,diealszein overmaataanwezigzijnvrijeradiealenwordengenoemd,hebbeneensterke(agressieve)neigingelektronenin tevangenof af testaan.Hierbij kanweereventueelweereennieuweradieaalgevormdworden(kettingreaetie),tenzijditmoleeuuleenelektronkanafstaanzonderzelfmeteenongepaardelektronopgeseheeptteworden.V oordezelaatsterolkomenspeciaalde anti-oxidantenin aanmerking.Dit zijn stoffendie oxidatieproeessenwaarbijradiealengevormdworden,tegengaanentevensalselektronendonorkunnenoptreden.Er zijnverderenzymen(bijlageA-12) die radiealenwegvangen:superoxide-dismutaseen eytoehroomP450'Radiealenspeleneen belangrijkerol bij tal van metaboleproeessen,bijvoorbeeldbij deenergieoverdraehten de ademhaling.De eenvoudigsteradieaalis hetwaterstofatoomdatsleehtseenelektronbezit.Ook stikstofoxyde(NO) is eenradieaal,ditgasis betrokkenbij deprikkeloverdraehtin het zenuwstelsel.Afweereellengebruikenradiealenom baeterientevernietigen,endeleverbreekter sehadelijkestoffenmeeaf.
OH'ion
.W' ..
, " "" "o-f, ,:, ,: + 0 .~:H :0" :., .-
.. "- . " ....- .....+.---y'"
,,..,. .
[ H .~. ' ,01'
H+-ion
O-atoom
,*'" ---- .....
;'" .I' "'-"'-
: t 0 + :., . .' t..........
.....-- .....'
,..... --.......,,', ' ,", ':"'"
:'H -r: t' 0 '~~:H ":'. ".', : .. :........................_--~~:'
.~~....~H :
.- --....: ....'. ';,"'"~; 0 +.: H ':~": .. ;.. /........... ""-,,'
.........-- ........
H-atoom
Watermolecuul
OH-radicaal
Fig.4 Atomen,moleculen,ionenenradicalen.
Een overmaataan radi-
ealen levert gevaar op, ' voor besehadiging van~H': H-atoom(radicaal)erfelijk materiaal(DNA),
",' van eiwitten (zoalsreeeptor-eiwitten)en van(meervoudig) onver-zadigdevetzuren(bijlageA'17),omdat dan de normaal
optredendeherstelmeeha-nismenniet meerin staat
zijn de schade teeompenseren. Onver-zadigdevetzuren komenveel voor in eelmem-
branen;radicalenkunnendedubbeleendrievoudigebindingen tussen de
koolstofatomenin dezevetzurenmakkelijkopenbreken,waardooreelbesehadigingoptreedt.Rokerswordenextrabelastdoorderadiealendieaanwezigzijn in deingeademderook.V oordezetekstzijn ondermeervanbelangdevolgenderadicalen:
Hydroxyl:Methyl:Chloor:
OH'CH3'Cl'
In dezevoorbeeldengaathet om elektrisehongeladenatomenof moleeulen.De puntsymboliseerthetongepaardeelektron.Ionen meteenongepaardelektronkomenook voor:
Zichvrijbewegenderadicalenkunneninhetorganismezeerschadelijkzijnalsdebeschermingertegennietvoldoendeaanwezigis.Menspreektvanoxidatievestressalsdebalanstussendeproductievanvrije
-
Basiskenrusscheikunde&natuurkunde A-S
radicalenendebescherminghiertegeninhetlichaamverstoordis.Hetschijntdatdezeomstandighedenzichsterkergaanvoordoenbijouderen.Beschermingwordtondermeergeleverddooranti-oxidantenenstoffendie hun werkingals co-factorondersteunen:vitamineC, vitamineE, ~-caroteen,hetsporenelementselenium,enz.Het tegengaanof voorkomenvandezeschadelijkeprocessendoortoedieningvanradicalenvangerslijktdusaanlokkelijk,maarhetprobleemiswelhoemenmoetdoserenomalleendeschadelijkeennietdenuttigeprocessenteneutraliseren.Er zijnpublicatiesdiewijzenopeenmogelijkpreventiefeffectvantoedieningvananti-oxidantentegenhetontstaanvandiversekwalen.Dedoseringenvooreenpreventievewerkingliggenhogerdandievoorcompenserenvantekortenwaaropdoseringsschema'snunogzijngericht.Gevolgenvanlange-termijngebruikvandezestoffenzijnechternogonvoldoendebekend.
MOLECULEN
H2
H20
02
of
of:
of:
H-O-H
0=0
H-H
Zuurstof:
Water:
Waterstof:
Fig. 5 Enkelemoleculen.
Moleculenzijn opgebouwduit atomendiealhun bindingsmogelijkhedengebruikthebben.Zo'n molecuulishetkleinstedeeltjevaneenstofdatnogdeeigenschappenvandiestofheeft.Een molecuulwaterbestaatuiteenzuurstofatoomdatmettweewaterstofatomenverbonden
is (Fig.5).De eigenschappenvandezeverbindingverschillensterkvandestoffenwaaruithetis opgebouwd:zuurstofenwaterstof.Moleculenvan dezelaatstetweestoffenzijn beidenopgebouwduit tweeatomen,waarbijweerallebindingsmogelijkhedengebruiktzijn. V oorzuurstofresulteertdit in eenzogenaamdedubbelebinding.Een waterstofmolecuulbestaatuit tweewaterstofatomendiedebijbehorendetweeelektronensamendelen.
Bij de opbouwen afbraakvanmoleculenin levendeorganismenwordenatomen,of groepenatomen,vaneen molecuul vervangen. We noemen ditstofwisseling: metabolisme. Worden stoffenopgebouwd,dansprekenwevananabolisme.Afbraakvan stoffen heet katabolisme.De door metabole
processengevormdepraductenzijn metabolieten.Hetverloopvanchemischepracessenkanversneld
wordendoor de aanwezigheidvan eenkatalysator.Katalysatorendiebetrakkenzijn bij deopbouwenafbraakvan stoffenin levendeweefsels,hetenenzymen(bijlageA-12).
FUNCTIONELE GROEPEN
HHHHHHHOI I I I I I I II
H-C-C-C-C-C-C-C-C-OHI I I I I I IHHHHHHH
In demoleculenwaaruitde levendemateriebestaat,komenbepaaldegroepenvanatomenveelvuldigvoor.Het zijn geenmoleculen,want ze hebbennog eenbindingsplaatsvrij. Ze worden functionelegraepengenoemd(Fig.6).
-NH2
-CH3
-COOH
-OH
of:
of:
of:
of:H
-C-HH
-C=O.O-H
-O-H
H-N
H
Hydroxyl:
Carboxyl:
Methyl:
Amino:
Fig. 6 Enkelefunctionelegroepen.
KOOLSTOFKETENS EN -RINGENKoolstof speelteen grate ral in veel biologisch-belangrijke moleculen. Hierin komen dekoolstofatomenzowelin ketensalsin ringvormvoor.In Fig. 7 zienwe eenvoorbeeld van een
koolstofketendie eindigtin eencarboxylgroep.Het is eenvetzuur (carboxylzuur),dat behoort tot de verzadigdevetzuren(bijlageA-17). Verzadigdwil zeggendathetmaximum Fig. 7 Koolstofketenvanhetaantalbindingsmogelijkhedenvan de C-atomenin deketen vetzuurCH3(CHz)6COOH.is bezetdoor H-atomen. Onverzadigdevetzurenbevatten
-
Basiskennisscheikunde&natuurkunde A-6
meta orthopara0-
@ooHHC"C,CHHC"C'CHH
H
H'C"C'CH
H-C"C,C'HIH
Fig. 8 Benzeen,molecuulformule:C6H6'
minstenseen paar C-atomenmet een dubbeleof drievoudigebinding in de keten,endaardoorminderH-atomen.Het totaleaantalC-atomenin de ketenkan versehillenpervetzuur(eenevengetalvan4 t/m 36,maarvan 12t/m 24komthetmeestvoor).
Een ringvormigestruetuurdie in veelmoleeulenteruggevondenkan wordenis de benzeenring:zes C-atomen dieafwisselendmet een enkele en een
dubbelebinding aan elkaarzitten; devierdebindingsmogelijkheidvanhetC-atoom is telkensbezet door een H-
atoom. De benzeenring kan opmeerderemanierensymbolischweergegevenworden(Fig. 8).Men moet,tenzijietsandersstaataangegeven,erzelfdeontbrekendeC- enH-atomenbijdenken.De molecuulformuleC6H6geeftalleenaanwelkeatomen,enhun aantal,in eenmoleeuulvoorkomen,maarzegtnietsover de opbouw van het moleeuul;dit laatstewordt in de ruimtelijkestruetuurformuleaangegeven.
Wordteenwaterstofatoomvandebenzeenringafgehaald,danhoudenwe een fenylgroepover: C6HS- (Fig. 9). Deze groep heeft dus eenbindingsmogelijkheidnog niet gebruikt.De koolstofatomenvan de
fenylgroep- en van andere stoffen met een ringstruetuur(eyelisehe Fig.9 Penyl.verbindingen')- hebbeneennummerenook eennaam.Met tellenwordtbegonnenopdeplaatswaarhetwaterstofatoomvervangenis.Als eenfenylgroepopdemeta-enpara-positiemeteenhydroxylgroepverbondenis,danhebbenweeeneateeholgroep.Dezegroepiskenmerkendvoorenkeleneurotransmittersdietotdeeateeholaminen(p.IJ-4S)behoren.
ISOMEREN
Hiermeewordenehemiseheverbindingenaangeduiddiedezelfdemoleeuulformule(bijlageA-6)hebben,maarop versehillendewijze opgebouwdzijn. De eigensehappenvan dezestoffenversehillenonderling.
STRUCTUUR-ISOMEREN
Fig. 10 Dimethylbenzenen.
Als voorbeeldvandezeisomerenzullenwe drie
versehillendedimethylbenzenennemen:(Fig.10). o-xyleen (l,2-xyleen)Nemenwe deeerstemethylgroepop plaats1 alsuitgangspunt,danzienwedatbij geenvandedriestoffen in de figuur de andere methylgroepopdezelfdeplaatszit, maarop plaats2, 3 of 4: de m-xyleen(1,3-:xyleen)ortho-, meta- of para-positie. Zie voor deaanduiding van de plaatsen Fig. 9. Deze
verbindingenversehilleninmoleeulairestruetuur,p-xyleen (1,4-xyleen)maarhebbenweleengelijkemoleeulaireformule:C6H4(CH3)2'
@-GHJCH;l
VCH3~C
H,c-Q>-GH,
STEREO-ISOMEREN
Binnendegroepvanisomerenvormendestereo-isomereneenbijzonderegroep.Zewordengekenmerktdoor het feit dat dezelfdeatomen of funetionelegroepenin de ruimtelijkeeonfiguratievanhetmoleeuuleenversehillendeplaatsinnemen.Tweevormenwordenhieronderseheiden:enantiomereneneis-transisomeren.
-
Basiskennisscheikunde& natuurkunde A-7
Fig. 11Voorbeddvantweestereo-isomeren.
,'lC~
. ", ", ", "/' I "I,
,.' ', ...., "~' :-.: ", --.~'HOoe'---'--"-'--:'--'::':-'N~
'1~~3,/(i ~""
< < '" ." '. ' '
" ',< 'r.~"L'!!:" ', ...... ------- . '"
H2N.--:.-.---'---'-;:CooH
Enantiomeren(spiegelbeeld-isomeren)Dit zijn isomeren die elkaars spiegelbeeldzijn. In Fig. 11 wordt een voorbeeld gegeven.
Omdat aanhet koolstofatoom vier verschillendegroepenzitten, die in de tweeisomeren niet
op dezelfde wijze gerangschiktzijn, bestaaner tweemoleculen die elkaarsspiegelbeeldzijn.Met chemische methoden kanmen de enantiomeren niet
scheiden. Bij de chemische
bereiding van stereo-isomerenontstaatmeestaleenmengseldat
voor gelijke delen uit beide
vormen is samengesteld.Dit heet
een racemischmengsel. In Fig. 11bevindt het C-atoom zich in het
middelpunt van de piramiden; op de hoekpunten zijn de vier met dit atoom verbonden
groepen aangegeven.De figuren zijn elkaarsspiegelbeeld,ze kunnen door rotatie niet gelijk
aan elkaar gemaaktworden. De plaatsing yan de vetgedrukte groepen onderscheidt dezestereo-isomerenvan elkaar.Fysisch gezienonderscheidenenantiomeren zich slechtsop een
manier. Oplossingen ervan hebben als bijzondere eigenschapdat ze het trillingsvlak vangepolariseerd licht in aan elkaar tegengestelderichting verdraaien: het zijn optisch actieve
staffen. Een draaiingnaarlinks wordt met '(-)' aangegeven,eendraaiingnaarrechtsmet '(+)'.Vroeger werd dit met respectievelijk '1'(van laevo = links) en 'd' (van dextro = rechts)aangeduid.Deze benaming is in onbruik geraakt,maar is nog herkenbaar in stofnamen als
dex(tro)amfetamine.V oor de huidige naamgevingvan enantiomeren bestaanverschillendeafspraken.Onderscheid tusseneen'L'-vorm en een 'D'-vorm berust op de chemischerelatievan debetreffende stoffen methet uitgangspuntvan dezeregel:L- enD-glyceraldehyde.Eenandereconventie maakt onderscheid tusseneen 'S'-vorm en 'R'-vorm.
HetisbelangrijkomhieroptemerkendatdeL- endeD-vormennietmeeruitsluitendrespectievelijklinksenrechtsdraaiendzijn.EnantiomerenkunnendusvoorkomenineenL(-)-ofD( +)-vorm,maarookineenL(+)-enD(-)-configuratie.HetzelfdeisvantoepassingopdeS-endeR-vormen.Eenracemischmengselwordtaangeduidmet:()of (RS).
Chemische verschillen tussen enantiomeren kunnen tot uiting komen in een biologische
context,doorverschillen in farmacokinetischeen/ of farmacodynamischeeigenschappen.De
eneheeftbijvoorbeeld eenbepaaldebiologische activiteit,de andereniet of in mindere mate,
of bezit een geheelanderewerking. Op eenuitzondering na zijn de CX-aminozuren(bijlageA-10)in ons lichaam - die onder meer gebruikt worden bij de synthesevan bepaaldetransmittersen als bouwsteen voor peptiden en eiwitten - optisch actief. Het zijn L(-)-aminozuren. De
uitzondering is het aminozuur glycine (bijhgeA-9) dat een symmetrische opbouw heeft en
daardoor geen spiegelbeeldvormbezit.In 2000 werd ontdekt dat het aminozuur serine in ons lichaam niet alleen in de L-vorm
maarook in deD-vorm voorkomt: D-serine.Het heeft eenfunctie bij deneurotransmissievan
glutamaat(p. II.54).
AlleenvanL-dopakanonslichaamdopaminemaken.L-fenylalaninesmaaktbitterterwijlD-fenylalaninezoetsmaakt.Thalidomide(Softenon)iskalmerendenslaapverwekkend.Er islangtwijfelgeweestofalIeendeS(-)-enantiomeervanthalidomideverantwoordelijkisvoordetoxischeeigenschappenvandezestofbijdemens.Hetwasbijonderzoekhiernaareenprobleemdatdebeideenantiomereninhetlichaamsndracemiseren,waardoorhetmoeilijkismeteenvormafzonderlijkonderzoektedoen.Menheeftinmiddelsconfiguratie-stabielevariantenvanbeideenantiomerengemaakt.Vit naderonderzoekis geblekendat
-
Basiskennis scheikunde & natuurkunde A-8
zowel de slaapverwekkendeals de tOx1sche(teratogene)werkingeigenschappenzijn van de S(-)-enantiomeervanthalidomide.
Ook vananderestoffendanaminozurenkomenenantiomerenvoor:zoalsvanmelkzuur.In ons
lichaamenin zuremelkis L(+)-melkzuurdenatuurlijkevorm.Hetwordtin despierengevormdonderzuurstofarmecondities.Door enzymenwordthetafgebrokentotCO2 enH20, maarhetkanookgebruiktwardenbij anderestofwisselingsprocessen.Als devormingvanmelkzuursnellergaatdandeeliminatie,treedtverzuringop.Gndernormaleomstandighedenheefthetlichaamgeenproblemenmetdeverwerkingvanmelkzuur.Bij debereidingvanyoghurtkan,afhankelijkvandehierbijtoegepastebacterien,L(+)-en/ofD(-)-melkzuurgevormdworden.HetlichaambeschiktruetoverenzymenomD(-)-melkzuuraftebreken,endeuitscheidingervangaatlangzaam.Stapelingvanditlinksdraaiendemelkzuurkanschadelijkworden(acidosis).HiervoormoetengrotehoeveelhedenyoghUrtgeconsumeerdworden(ongeveer10kg/dag).ZuigelingenkunnensnellerproblemenkrijgenmetheteliminerenvanD(-)-melkzuur.Na eenoperatiewaarbijeenaanmerkelijkdeelvandedunnedarmverwijderdis,moetmenvoorzichtigzijnmetdeopnamevanD(-)-melkzuur.
Hetantidepressivurnfluoxetlle(p_XI-124) (prozac)bestaatuiteenmengselvanS-enR-enantiomeren.DeR-enantiomeerzouminderbijeffectenhebben.Vancitalopram(p_XI-124) ismogelijkdeS-isomeerhetmeesteffectief,vanibuprofen(p- XVI-2I5) ookdeS-enantiomeer.
Er is grate industrieIe aandachtvoor het ontwikkelen van techniekenwaarbij bij de syntheseslechts eenvan beide enantiomeren ontstaat,en van techniekenvoor het scheidenvan een
racemisch mengsel in de afzonderlijke componenten. Bij het produceren van farmaca en
chemicalien die in spiegeIbeeIdvormvoorkomen, wil men vermijden dat slechtsde heIft van
het product biologisch actief is, terwijl het andere enantiomeer onwerkzaam is of zeIfsschadelijk kan zijn.
eis-trans isomeren (geometrische isomeren)
Deze isomeren worden gekenmerkt door functionele groepen die op verschillende wijzengepIaatstzijn ten opzichte van twee C-atomen die een dubbele binding met eIkaarhebben.
Bij de cis-verbinding bevinden de H-atomen zich aandezelfde zijde van de C-atomen, bij detrans-vorm aantegenovergesteldekanten.Fig. 12geefthier eenvoorbeeld van. Links de cis-vorm van dicarbonzuur (maI6nezuur); en rechts de trans-vorm (fumaarzuur). Dit is geenspiegelbeeld-isomerie.eis-trans isomeren hebben in prineipe verschillende chemische enfarmacologische eigenschappen.
Fig. 12 Cis-entrans-dicarbonzuur.
Hooe HC=C'
H' 'COOH
H H'C=C'
HOOe/ 'COOH
Bij de enantiomerenende eis-transisomeren kan de
ruimtelijke structuur, de conftguratie,niet gewijzigdworden zonder bindingen teverbreken.De dubbele
binding tussen de C-atomen maakt de configuratiestar.
AIs de ruimtelijke opbouw van een molecuul wel wijziging toestaatzonder bindingen te
verbreken, bijvoorbeeld door rotatie om de asvan eenenkelebinding, dan spreektmen vande conformatie,in pIaatsvan de configuratie, van het molecuul. De verschillende vormen die
hetmolecuul hierbij kan hebben, gaanmeestalsnelin elkaarover door draaiingvan deIenvan
het molecuul om eenenkelvoudige binding. Deze vormen zijn in tegenstellingtot die van deenantiomeren en de cis-trans-isomeren dan niet stabiel.
AMINOZUREN, PEPTIDEN & EIWITTEN
AMINOZURENIn levende organismen treft men aminozuren aandie, onder meer,van groot belangzijn alsbouwstenen voor peptiden en eiwitten. In de natuur komen meer dan 80 verschillende
aminozuren voor. Hiervan worden er in ons lichaam een twintigtal gebruikt bij de opbouwvan peptiden en eiwitten. V oor de meestevan deze zogeheten fundamentele aminozuren
-
Basiskennisscheikunde&natuurkunde A-9
zuurstructuur.
RIH2N-C-COOHI
H
Amino-Fig. 13
geldtde structuurformuleuit Fig. 13.Ze bestaanuit eencentraalkoolstofatoomomgevendoor eencarboxylgroep,eenaminogroep,eenwaterstofatoomen eenrestgroep'R'. Hetmeesteenvoudigeaminozuurisgfycine.Dit molecuulheeftgeenspiegelbeeldvorm,omdathetmolecuulsymmetrischisdoorhetaanwezigzijnvanH-atomenoptweebindingsplaatsenvanhet centralekoolstofatoom.De andereaminozurenin ons lichaam hebben wel een
spiegelbeeldvorm;hetzijnbijnaallemaalenantiomerenmetde'L'-vorm.DaarnaastkomtookD-serine(bijlageA-7) voor, zoalseerdervermeld.
De 'R' verwijsthiernietnaareenbepaaldatoom,maarnaareenzijketendieperaminozuurverschilt.In Fig. 14wordenenkelevandezezijketensweergegeven;de algemenestructuurmoetmener nog bij denkenomeenbeeldvanhetgeheleammozuurtekrijgen.
In de literatuurworden denamenvan aminozurenveelalafgekort.Ter informatievolgthierondereenlijstmetnamenvanaminozurenenhun standaardafkortingen.De namenvan9 vandezeaminozurenzijn
cursiefgedrukt.Dit zijndezogehetenessentieleaminozuren.Hiermeewordtbedoelddathetlichaamze zelf niet kan aanmaken.Deze essentieleaminozurenmoetenin ons voedsel
aanwezigzijn. De andereaminozurenhoevener niet noodzakelijk in voor te komen.Tyrosine,bijvoorbeeld,kanaangemaaktwordendoor hydroxyleringvan fenylalanine.
Alanine Ala IsoleucineIle
ArginineArg LeucineLeu
Asparagine
Asn LysineLysAspartaat
Asp MethionineMet
CysteilleCys ProlinePro
Fef!)llalanine
Phe SerineSerGlutamaat
Glu ThreonineThrGlutamine
GIn TryptifaanTrpGlycine
Gly TyrosineTyrHistidine
His ValineVal
Glutamaatis ookbekendonderdenaamglutaminezuur.Het moetnietverwardwordenmetglutaminedat eveneenseen aminozuuris. Eenzelfde opmerkinggeldt ten aanzienvanaspartaatdat hetzelfdeis alsasparaginezuur.Ook nu is asparagineweereenafzonderlijkamlnozuur.
Aminozuur: Symbool:Zijketen(R): Opmerkingen:
Glycine
Alanine
Gly
Ala
-H
-CH3
tevensneurotransmitter
Aspartaat Asp
Glutamaat Glu
-CHrCOOH
-CH2-CH2-COOH
tevensneurotransmitter
tevensneurotransmitter
FenylalaninePhe -CH2-@ tevensgrondstofvoorneurotransmitter
Tyrosine Tyr-CH2--OH
tevensgrondstofvoorneurotransmitter
Fig. 14 Enkelezijketensvanammozuren
-
Basiskennisscheikunde&natuurkunde A-10
CHrCOOH
CH2I
~H-NH2H
GABA:CH2-COOH
CH2ICH-NH2ICOOH
Fig. 15 Decarboxylatievan glutamaat.
Glutamaat:
In 1986werd het 21ste ook bi) de mens natuurlijk voorkomendeaminozuurontdekt:selenocystei"ne.Het komtalsbouwsteenin enkeleenzymenvoor.
De oplosbaarheidvan de aminozurenis onderlingniet gelijk.Er zijn polaire (biilageA-3)aminozurendiegoedoplosbaarzijnin water,niet-polaireaminozurendierelatiefonoplosbaarzijn in water,enaminozurendiezowelpolairealsniet-polairekarakteristiekenhebben.
Drie aminozurenhebbeneenvertakte:diketen(branched-chainaminoacids,BCAA). Hetzijn de essentieleaminozurenleucine,isoleucineenvaline,dieextreemhydrofoobzijn.
Dierlijkeenplantaardigeeiwittenzijndevoornaamsteleveranciersvanaminozurenaanhetlichaam.Tijdensdespijsverteringwordendezeeiwittenin hetmaag-darmkanaalafgebrokentotaminozuren,dievervolgensin debloedbaanopgenomenworden.V oor deopbouwvannieuweeiwittenis het belangrijkdat allebenodigdeaminozurenin de juisteverhoudingvoorradigzijn.De synthesevaneenbepaaldeiwitwordtgeremddoor eentekortvaneenofmeer voor de opbouw van dit eiwit relevanteaminozuren.Dierlijk voedselbevat alIebenodigdeaminozuren;eengevarieerdplantaardigdieetkanook in debehoeftenvoorzien.20leverengraanproductenmethionine;lysi;nekanbetrokkenwordenuitpeulvruchten.
Aminozuren die in ons lichaam in
peptiden en eiwitten voorkomenbehorentotdeCX-aminozuren.Dit houdtin datde carboxyl-en de aminogroepverbondenzijnmethetzelfdeC-atoom(Fig. 13).Bij de p-aminozurenzittendeze twee groepenaan naastelkaar
gelegenC-atomen.Bij y-aminozurenwardendezeC-atomennogeensgescheidendoor eentussenliggendC-atoom. Een belangrijk aminozuur van dit laatste type is: GABA(gamma-aminobutyricacid=gamma-aminoboterzuur).GABA isgeenessentieelaminozuur;het kan gemaaktworden van glutamaat,door decarboxylatie,waarbij de carboxylgroepvervangenwordt door eenH-atoom (Fig. 15).GABA is evenalsglutamaateenbelangrijkeneurotransmitter.
Alkaloiden
In plantenkomen veel stoffen voor die een effecthebbenop mensenen dieren.Eenbelangrijkaantalhiervanbehoorttotdegroepvandealkalolden.DezealkaloIdenzijnverwantaan de aminozuren. Er bestaanvele duizenden alkaloIden;hierbij zijn stoffen metgeneeskrachtigeof toxischewerking.Vele van deze alkaloIdenzijn tijdensplantaardigestofwisselingsprocessenontstaanuitaminozuren,waaronderdeeerderbesprokenaminozurentryptofaan,fenylalanineentyrosine.Dezeverwantschapmetlichaamseigenstoffenverklaarthungratewerkzaamheid.
De term alkaloldeverwijst naar het overwegendalkalischekaraktervan dezegroep stoffen (alkalischbetekenthetzelfdealsbasisch,ziede besprekingvan dezuurgraad(bijlage A-21). Alkalolden bevattenstikstof(N), en hebbenin het algemeeneenbitteresmaak.
Het belangvandezegroepstoffenkangelIlustreerdwordenmeteenopsommingvandiversealkaloIdendiein hoofdstukkenvan 'Parmacaen Gedrag'aandeordekomen:
atropinecathinoncocaIne
caffeInecodeIneefedrine
kininemescalinemorfine
nicotine
reserpmetheofylline
-
Basiskenrusscheikunde&natuurkunde A-ll
PEPTIDENZoalseerderaangehaaldwerd,gebruikthetlichaamaminozurenondermeervoordeaanmaakvanpeptideneneiwitten.Tal vanenzymen(bijlageA-12) zijnhiervoornodig.Peptidenbestaanuitkorteketensvan aminozuren.Het aanelkaarkoppelenvanaminozurenverlooptvoor alleaminozurenop gelijkewijze,zoalsweergegevenin Fig. 16.
- losmakingvaneenOH-groep vandecarboxylgroepvanheteneaminozuur- losmakingvaneenH-atoomvandeaminogroepvanhetandereaminozuur- koppelingvandetweeaminozurenop devrijgekomenbindingsplaatsen- devrijgekomenOH-groep enhetH-atoomvormenH20.
Insuline.
NH:l NH:lI IGly PheI Ine Vat
Vat AsnI IGlu GInI IGIn His
s-6ys LeuI ICys-S-S-CysI IAla GlyI ISer SerI Ivat HisI I
S-Cys LeuI ISer VatI ILeu GluI ITyr AlaI IGIn LeuI ILeu TyrI IGlu LeuI IAsn VatI ITyr S-CysI / ICys-S GlyI IAsn GluI ICOOH ArgI
GlyIPheIPheITyrIThrIProILysIAlaICOOH
RI H R:lI I IHJ'l"-C-C- N-C-C-OH
1 11 I 11
H 0 H 0
HfJ
RI t H R:lI .h ~I IH~-C-C+OH + HtN-C-C-OH
I 11 .------------~ I I1
H O~ / HO
Fig.16Peptidebinding.
Deze koppelingtussenaminozurenheetde peptidebinding.Aan dit peptidekunnen opovereenkomstigewijzenogmeeraminozurengekoppeldworden.Zo kanmenuitgaandevanheteersteaminozuurachtereenvolgenseendipeptide,tripeptide,tetrapeptide,pentapeptide,enz.maken.Peptidendieuit 10tot50aminozurenbestaanwordenpolypeptidengenoemd.
Het aantalmogelijkecombinatiesvanaminozuren-uit de20verschillendedieinhet lichaam voorkomen -vooreenuitdrieaminozuren
bestaandpeptide(tripeptide)is al 20 x 20 x 20 = 8000.Geheel onvoorstelbaar
wordtdeverscheidenheidbijde eiwitten die wel uitduizenden aminozurenkunnen bestaan. In hetcentralezenuwstelselhebben
veelpeptideneenfunctie;zewordenneuropeptiden(p. II-56) genoemd.
EIWITTENNet alspeptidenbestaaneiwittenuitaminozuren- dikwijlshonderdentotduizendenpereiwit- diein eenof meerlangepolypeptidenketensaaneengeschakeldzijn. Dwarsverbindingentussenpolypeptiden,ofdelendaarvan,zorgenvoor de samenhang.Deze bestaanveelaluitzogenaamde zwavelbruggen. De aminozuurvolgorde en dezwavelbruggenbepalendeprimaireeiwitstructuur.
Als illustratiehetmolecuulvaneenrelatiefkleineiwitdatuit twee
peptidenketensbestaat,het hormoon insuline(Fig. 17).Hier is destructuurvanhetrunderinsulineweergegeven,diein 1953doorSangervastgesteldwerd. Tussen de mens en vele diersoortenbestaanverschillenin de aminozuurvolgordevan depeptidenketensvan dithormoon.
De codevoor hetaanmakenvaneiwittenligtvastin degenenopde chromosomen.Hun aantalwerd langetijd geschatop 80.000tot100.000,maarhet zoudener aanzienlijkminder (20.000- 25.000)kunnenzijn.Een deelhiervankomttotexpressie.V roegerdachtmendatpergeneeneiwitkonwordenaangemaakt.Door herschikkingvandecodekunnenpergenechtermeerdereeiwittengevormdworden.N asynthesekunnendezeeiwittenbovendiennoggesplitstwordeninkleinereeiwittenen peptiden.In het lichaamkomenwel 1.000.000Fig. 17
-
Basiskennisscheikunde&natuurkunde A-12
verschillendeeiwittenvoor.VerderkunnendebiologischeeigenschappenvaneeneiwitnogbeInvloedworden door koppelingmet een fosfaatgroep(fosforyleren(bijlageA-Bof eenkoolhydraat(glycosyleren(bijlageA-16.Ook kunneneiwittensameneencomplexvormen;opdezewijzekaneenenkeleiwitbetrokkenzijn bij meerdereprocessen.
Individuen verschillen onderling in de samenstellingvan hun lichaamseiwitten.Lichaamsvreemdeeiwittenworden als zodanigherkenden afgestoten.Dit is eengrootprobleembij transplantaties.
Eiwittenenpeptidenhebbenvelefunctiesin onslichaam.In hetkadervandit boekzijnbelangrijkhunwerkingalsenzym(bijlageA-12),hormoon(p.n-32J,neurotransmitter(p.l1-37),neuro-modulator(p. II-43),receptor(p. II-32)entransporteiwit(p.II-39).
Er zijn enzymen met meerdere bindings-plaatsen.N aast de actieve plaats (isosterebindingsplaats)hebben ze nog een anderebindingsplaats(allostereplaats).Afhankelijkvanhetfeit of dezeplaatsdoor eenactivatorbezetis of niet, is de omzettingsactiviteitvan hetenzymrespectievelijkhaog of laag,door eenconfarmatieverandering(bijlageA-8)van het eiwit(Fig. 18).Het kamtook voor dateeninhibitorzo'nbindingsplaatsbezet,waardoorhetenzymgei'nactiveerdwordt.Als debindingcovalentis,is dezeinactivatienietomkeerbaar.T
-TRC (p.iv)
~.:.inactiefenzym
~
.............~ activator
......0~..... remmer
4substraat
Het achtervaegsel'ase'duidtaandathetom eenenzymgaat.Eenhydroxylasevoegtaanhetsubstraateen OH-groep toe, na hier eersteen bindings-mogelijkheidvoorvrijgemaakttehebben.
20zijnerverderdecarboxylasendieeencarboxylgroepvaneenmolecuulvervangen,methyltransferasendieeenmethylgroepoverbrengennaareenandermolecuul,monoamine-oxidasendieeenaminogroepvervangendoor zuurstof.Proteasen,lipasenen amylasensplitsenrespectievelijkeiwitten,vettenenzetmeel.Veelwasmiddelenmakengebruikvandezeenzymen.
De meesteenzymenwerkenoptimaalrondde40C enverliezenhunactiviteitbijongeveer60C. Indenatuurzijnechterinwarmwaterbronnenopdezeebodemenzymenaangetroffendiebij temperaturenverbovende100C nogacriefzijn.
Fig.1S
EnzymenIn scheikundigereactieshebbenkatalysatoreneen belangrijkefunctie.Ze versnellendeomzettingvaneenstofin eenandere,zonderhierbijuiteindelijkopgenomentewordenin denieuwe stof en blijven daardoor onveranderdaanwezig.Enzymen zijn organischekatalysatorendieeenbepaaldechemischeomzettingversnelIen.Hun activiteitisgevoeligvoorveranderingenin temperatuure'nzuurgraad.Ze speleneengroterolbij desyntheseenafbraakvanmoleculenin onslichaam,enzijndaardoorbelangrijkvoor debiotransformatie(p.1-12)vanfarmaca.Het zijn meestaleiwitten.
In hetalgemeenwordenenzymengekenmerktdoor eengrotematevan specificiteit:zeversnelIenslechtsde omzettingvan eenof van eenklein aantalverwantestoffen.Ze zijndikwijlsstereo-specifiek.Een enantiomeer(bijlageA-7)heeftdanslechtsdeenzym-activiteit.Destofdieomgezetwordtheethetsubstraat.Het substraatwordtgebondenaandeactieveplaatsophetenzymoppervlak,waarnadechemischeomzettingplaatsvindt.Vervolgenswordtdezeverbindingverbroken.De gevormdestof komt vrij en het enzymis beschikbaarvooromzettin2"vaneennieuwmolecuuI.
allostere enzvmen
-
Basiskennisscheikunde&natuurkunde A-13
Metbehulpvanhetenzymfenylalaninehydroxylasekanfenylalanineomgezetwordenin tyrosine.MensendielijdenaanJet!J'lketonuriemissenditenzym;hierdoorwordtdevormingvananderemetabolietenbevorderd.Dezehebbeneentoxischewerkingophetcentralezenuwstelsel.
Enzymenwerdenvroegerfermentgenoemd.Fermentenindegistcelbevorderendeomzettingvanglucose,viaenkeletussenstappen,totethanol(beterbekendals:'alcohol').Hetprocesheetfermentatie.
Ruim telijke eiwitstructuurN aastdeprimairestructuur(bijlageA-II) vaneeneiwitbestaater ook eensecundairestructuur.Dezeverwijstnaardelenvanheteiwitdiezichspiraalsgewijsoprollen(a-helix)of eenmeervlakkeenlanggerektestructuurhebben(~-vouwblad).De uiteindelijkebolvormigetertiairestructuurvan het eiwit ontstaatdoor buigenen opvouwenvan de ketens.Dit vouw- enbuigproceswordt gestuurddoor zogeheten'chaperonne-eiwitten'.Medebepalendvoor devorm vanhetmolecuulzijn:
- lypofieleof hydrofieleeigenschappenvandezijketensvandeafzonderlijkeaminozurenwaaruitheteiwitbestaat;dehydrofieleaminozurenkomenmeeraandebuitenkantvanhetmolecuultezitten,delipofielebestanddelenmeerin hetmidden- verschillenin elektrischeladingtussende aminozurendie resulterenin onderlingeafstotingof aantrekkingtussendelenvanhetmolecuul,waterstofbruggen- zwavelbruggen
AIs deehaperonne-eiwittennietaanwezigzijn,krijgthetnieuwgevormdeeiwitnietdedrie-dimensionalevormdiehetnatuurlijke- normaalinhetlichaamaangemaakte- eiwitheeft.Hetheeftdaardoornietdezelfdeeigensehappenalshetlichaamseigeneiwit.Dit is eenbelangrijkprobleembij hetproducerenvaneiwittenmetbiotechnologischemethoden.
Moleculendienietgoedgevouwenzijn, kunnenopgeruimdworden.Hierbij zijn andereeiwittenbetrokken:ubiquitinen.Ubiquitinengaaneenbindingaanmetaf tebrekeneiwittenentransporterenzenaardeplaatsvanafbraak(hetproteasoom),waarzegesplitstwordenindeaminozurenwaaruitzezijn opgebouwd.
Er zijn in onsliehaameiwittendietweevormenkunnenhebben,waarbijdeenevormvoorkorteoflangeretijdin deanderekanovergaan.Men noemtdit allostereeiwitten,waaronderenzymen(bijlageA-12)enreceptoren(p.II-32).De duurvandevormveranderingkanalsvolgtingedeeldworden:
- Een reversibele,zeerkortdurende,conformatieverandering(bijlageA-8)kanoptredendoorbindingvan eenbepaaldeboodsehapper(bijvoorbeeldeenneurotransmitter)aanzo'nallosteereiwit.Voorbeeld:eenreceptoreiwitdatnabindingmetdetransmitterzodanigvanvormverandertdateenionenpoortjein hetmolecuulzichopent.Bepaaldeionenstromendandeeelin of uit.
- Er zijnookreversibelevormveranderingenmogelijkdielangerdurendandehierbovenomschrevenconformatieverandering.Hierbij treedteenchemischeveranderingopwaarbijbindingenin heteiwitverbrokenwordenof nieuwebindingenaangegaanwordenen deconfiguratie(bijlageA-8) zich wijzigt. Voorbeeld:door enzymatischetoevoegingvan eenfosfaatgroepaaneeneiwit (josforylenng),door een zogehetenprote1nekinase,kan eenbepaaldeiwiteenbiologischeactiviteitkrijgen,diehetweerverliestalseenanderenzym(fosfatase)dezegroeperweerafhaalt(de-fosforylering).Dit eiwit,datzelf ook weereenenzymkanzijn, komtdusvoor in tweevormen:geaetiveerdof inert.
Permanentevormverandering.Hierbij gaat het weer om eiwitten die in tweeverschillendeconfiguratieskunnenvoorkomen.V oorbeeld:eenvormveranderingdooreencovalentebindingdooreeninhibitor,of eeneiwitdatin normaalof abnormaalgevouwen
-
Basiskenrusscheikunde&natuurkunde A-14
toestandkanbestaan.De abnormalegevouwenvormkandeexpressiezijnvaneenmutatievanhetgendatcodeertvoor dit eiwit,maarook aangemaaktwordenin afwezigheidvanchaperonneeiwitten.
Er bestaanabnormaalgevouweneiwittendie de natuurlijk voorkomendevormomzettenin deabnormalevorm.Dit kandesastreuzegevolgenhebben.Men spreektdanvan een 'prion', een besmettelijkeeiwit. De naam prion komt van 'protelne-achtiginfectueusdeeltje'.'Proin'komtbeterovereenmetdezeafkomst,maardebedenkervandezenaam- StanleyPrusiner - vond 'prion'beterklinken.De functievan de normaalgevouwenvormvandit eiwit(eenglycoproteIne(bijlageA-16), is nognietgoedbekend.Hetkannietmeerafgebrokenwordendooreiwitsplitsendeenzymen.In hungewijzigdevormklonterendezeabnormaalgevormdeeiwittensamen.Waarschijnlijkomdatze in hungewijzigdestructuurveel P-vouwbladenbevatten,die dicht opeengepakteenmoeilijkafbreekbaarmassavormen.
Ook synthetischeprionenblijkenin staattezijnabnormaleeiwittentekunnenvormen.
Neurodegeneratieveziektendiemetpermanentevormveranderingverbandhoudenzijnondermeer:Kuru, eendodelijkehersenziektedievoorkwamop Papoea(IrianJaya),hetvoormaligeNieuw
Guinea.Hetwerdovergebrachtdoorkannibalismeenverdweentoenmenstoptemetdezegewoonte.Schraapziekte(scrapie,spongieuzeencefalopathie),eenaankuruverwanteziektebij schapenen
geiten.'Gekke-koeienziekte'(bovienespongieuzeencefalopathie,BSE),overgebrachtdoorveevoerwaarin
restenvanschapenmetschraapziekteaanwezigzijn.Eenbesmettekoekandezeaandoeningophaarkalfoverbrengen.
ZiektevanCreutzfeldt-Jacob(CJD).Perjaarkrijgeneenopdemiljoenmensendezeziekte,waarvandementieeenbelangrijksymptoomis.Daardezevormsporadischvoorkomtnoemtmendezeziekte:sCJD. In 85-90%vandegevallenbetreftditpersonenophogeleeftijd(gemiddeld60jaar),enis deoorzaakonbekend.Zewordengetroffendooreensnelverlopendedementie.Er bestaateenerfelijke(farniliale)vorm,diezeldzamer(10-15%)voorkomt(fCJD).
Verworvenvariantenkomenbijongeveer1% vandeCJD-patientenvoor.Deziektekanhierbijaloplagereleeftijd(gemiddeldonderde30jaar)voorkomen.Psychiatrischeklachtenontstaan,maargeendementie.Deoverdrachtkanopmeerderewijzenplaatsvinden.Ondermeerdoorhersenoperatiesmetbesmetteoperatieinstrumenten.Er zijngevallenbekendwaarbijeentransplantatievanhethoornvliesof hersenvliesvan een besmettedonor de ziekteheeft overgebracht.Bij het toedienenvan(groeDhormoonpreparatendiebereidzijn uit de hersenenvanoverledenenkan eenprion-ziekteovergebrachtworden,indienhetpreparaatuitbesmetweefselisbereid.Wereldwijdzijnhierdoorbijkinderendievanwegegroeistoornissenbehandeldwerden,80besmettingenveroorzaakt.Dit zijnvoorbeeldenvaniatrogenevormenvanCJD: iCJD. Tervoorkominghiervanismenondermeeralleennog synthetischbereideproductengaangebruikenin plaatsvan uit dierenhersenengelsoleerdehormonen.Het is onbekendof ernogdierlijkgroeihormoonop deillegalemarktis datmogelijkgekochtwordtdoorbodybuilders.
Waarschijnlijkis hetetenvanbesmetvleesbij de mensde oorzaakvanhetontstaanvaneenverworvennieuwevariantvanCJD (nvCJD).Vooralhetconsumerenvanhersenenenruggenmergishierbijverdacht.Ookbuitenhetcentralezenuwstelselis echtergemfecteerdweefselaangetroffen(indetonsillenenin anderedelenvanhetlymfevatstelsel(bijlageB-25). Verderhopendeabnormaleeiwittenzichop in demilt en bereikenhetcentralezenuwstelseldoor transportvia zenuwen.De bij deverschillendevormenvanCJD betrokkenprionenzijnnietidentiek,maarvertonenonderlingkleineverschillenin desamenstellingvandemoleculen(afwijkendaminozuur,verschillenin aangehechtesuikers).
Een andereprionziekteis dedodelijkeerfelijkeslapeloosheid(fatalfamilialinsomnia,FFI).Hetonoplosbare~-amylold(p.XV-193),datindehersenenvanpatientenmetdeziektevanAlzheimer
voorkomt,isookeenabnormaaleiwitdatzichopstapelt.AmyloIdbetekenteigenlijk'cellulose-achtig',maardatiseenonjuistebenamingwanthetbleeknetalshetprionmolecuuleeneiwitfragment(peptide)te zijn. De onoplosbaarheidvan dezemoleculenhangtsamenmet hun veranderderuimtelijkestructuur.Door deconformatieveranderingis hunvormplattergewordenenhebbenzedeneigingsamenteklonteren,waarschijnlijktoteenhydrofoobgeheeI,waarenzymengeenvatmeerophebben.Lewybodies(p. XIJI-l64) bevatteneveneensdergelijkeeiwitten.
-
Basiskennisscheikunde& natuurkunde A-iS
Erwordtonderzoekverrichtmetbepaaldepeptidendiemenp-sheetbrekersnoemt.Dezepeptidenhechtenzichaanonoplosbaargewordeneiwittenenveranderenhunstructuurzodanigdatzeweerafgebrokenkunnenworden.Eenprobleemis datdezepeptidentegrootzijnomdoordebloed-hersenbarrieretedringen.
Prionenblijkenzichspecifiekaanplasminogeentebinden,terwijldenormalevormvanhetmolecuulditnietdoet.Plasminogeenisdeinactievevormvanplasmine:eeneiwitoplossendenzym.Mogelijkontstaathierdooreentekortaanplasmine.
Een grootprobleemis datinfectueuzeprionenmoeilijktevernietigenzijn.De gebruikelijkedesinfectie-en sterilisatietechniekenals koken, blootstellingaanDV -licht of ioniserendestraling,en behandelingmet eiwit-afbrekendeenzymen(proteasen),hebbengeeneffect.Omdatook in dehersenendeafbraakvanprionenuiterstlangzaamverloopt,wordtnormaalhersenweefselerdoorverdrongenenvernietigd.Hierbij ontstaateensponsachtigestructuur( 'spongieus').Er zijn aanwijzingendatmeereiwittenin ons lichaamin tweeconformatiesvoorkomen,waarvanereenzich alseenprion gedraagt
KOOLHYDRATEN
AIs bronvanenergievoor levensprocessenhebbenkoolhydrateneenvitalerol in delevendenatuur.De naamkoolhydratenweerspiegeltdesamenstellingvandezestoffen:zebestaanuitkoolstof, waterstof en zuurstof. Koolhydraten moeten niet verward worden metkoolwaterstoffen,datzijnverbindingenwaarinalleenmaarkoolstofenwaterstofvoorkomen.De onderlingeverhoudingvan de atomenin een koolhydraatkan (meestal)beschrevenwordenmetde formule:Cn(H20)m'waarbijde 'n' en de 'm'variabelenzijn. Deze formulebeschrijftalleendeverhoudingtussendeaantallenatomenwaaruitkoolhydratenzijn opge-bouwd,maarzegtnognietsoverdestructuurvandemoleculen.Koolhydratenkunnendusgezienwordenalshydratenvankoolstof.
ONDERVERDELING VAN DE KOOLHYDRATENDe indelingvandekoolhydratenkomtin zekeremateovereenmetdievandepeptiden;hetaantalbouwstenenwaaruitzeopgebouwdzijn bepaaltdenaam.
- D-glucose (dextrose,druivensuiker)
- D-fructose (levulose,vruchtensuiker)
MonosacharidenVan de 18 enkelvoudigesuikers zijn glucose enfructose het meest
bekend.De verhoudings-formule van beide
stoffen is C6(H20)6' Zekomenin zowelin eenL-als in eenD-vorm voor.
De belangrijkstenatuurlijk voorkomendemonosacharidenzijn:
H-C=OIH-C-OHI
HO-C-HI
H-C-OHIHO-C-HI
CHf)H
L-glucose
OHH
/3-D-glucose
H-C=OIH-C-OHI
HO-C-HIH-C-OHIH-C-OHI
CHf)H
D-glucose
)I' ~
OHH
o:-D-glucose
Fig.19 Enantiomerenvanglucose.
Van detweeenantiomerenvanglucoseis D-glucosedein denatuurvoorkomendeisomeer.In eenoplossingneemthetmolecuuleenringstructuuraan.Hierbij ontstaantweenieuwe
-
Basiskennisscheikunde& natuurkunde A-16
isomeren:a-D-glucoseen ~-D-glucose(kijknaardeplaatsvandevetgedruktegroepenaanhetC-atoomin Fig. 19).
oligosacharidenDit zijn samengesteldesuikers.Ze bestaandikwijlsuit tweeenkelvoudigesuikers,enhetenclandisachariden.Bekendeoligosacharidenzijn:
- sucrose(sacharose,biet-of rietsuiker)bestaatuitglucoseen fructose- lactose(melksuiker)is samengestelduit glucoseengalactose- maltose(moutsuiker)bevattweeglucosemoleculen
PolysacharidenSuikersdievoornamelijksamengesteldzijn uit eengrootaantalmonosacharidenhetenpoly-sachariden.Ze smakennietzoetmeerenlossennauwelijksmeerop. Belangrijkzijn ondermeer:
- zetmeel,wordt door plantengevormd.Bij de spijsverteringwordt het enzymatischafgebrokentot maltose,door amylasendie voorkomen in speekselen ook door depancreas(alvleesklier)wordenafgescheiden.- glycogeen,ook dierlijkzetmeelgenoemd,wordt vooral in de leveren in de spierenopgeslagenalsreservevoorraad.Het bestaatuit langevertakteketensvanglucose.- celluloseis het voornaamstebestanddeelvan de plantaardigecelwand;het kan nietafgebrokenwordenin hetmaag-darmkanaal.
KO OLHYD RAATVERBIND IN GEN
Koolhydraten kunnen verbindingenaangaanmet eiwittenen vetten.Dit proces heetgfycoryleren.Deze suikergroepenzijn belangrijkvoor de biologischeeigenschappenvan hetmolecuul.
- gfycoprotei"nen,dit zijn eiwittenwaaraanketensvanoligosacharidenbevestigdzijn.Dezeketenshebbeneenfunctiebij debindingaancelmembranenenalsherkenningspuntbijcommunicatieprocessen.- glycolipiden of lipo-polysacharidenbestaanuit lipiden (vetten)metketensvanpoly-sachariden.
LIPIDEN: VETTEN & VETACHTIGE STOFFEN
Evenalseiwittenenkoolhydratenvormenlipideneengrotegroepvanbiologischrelevantemoleculen.In onsvoedselpakketzijnzevooralvanbelangalsbronvanenergie.Kenmerkendvoor de lipiden is hun hydrofobekarakter,ze zijn niet oplosbaarin watermaarwel inorganischeoplosmiddelen.
INDELING VAN DE LIPIDEN
Men onderscheidtvetten/olienenvetachtigestoffen.
Vetten/olienGnderolienverstaanwevettendiebijkamertemperatuurvloeibaarzijn.Chemischgezienzijnvettentrigfyceriden:verbindingenvanglycerolmeteendrietalvetzuren(Fig.20).Triglyceridenstaanook bekendonderde naamtriacylglycerolen.Glycerol (oudenaamglycerine)is deeenvoudigstedriewaardigealcohol.De bindingvaneenalcoholmeteen(vet)zuurheet'ester'.
-
Basiskennis scheikunde &natuurkunde A-17
Een triglyceride bestaat uit drie aan glycerol gebonden vetzuren, die onderling kunnen
verschillen in de lengtevan de koolstofketens. De vetzuren binden met hun carboxylgroep
aande alcoholgroep van glycerol.
Tr:igly1:eride (vet)
Fig. 20 Triglyceride(glycerol+vetzuren).
~-CHCH-m: 0C&...:tH....HO-~~-
-
Basiskennisscheikunde& natuurkunde A-18
opgeslagen.Opslagvandetriglyceridenvindtplaatsindelever,alsreservevoorraad.Vanuitdelevergaanweerbolle*s gevuldmettriglyceridenencholesteroldecirculatiein. 2e wordenlipoproteinengenoemd.Aandeoppervlaktevandezelipoproteinenbevindenzichweerapoprotefuen(alszeaanlipidengebondenzijnhetenzeapolipoprote'inen).Dezeeiwittenwordendoorbepaaldereceptorenop delichaamscellenherkend.Onderwegwordenervetzurenuitvrijgemaakt.Gaandewegwordendezelipoproteinenhierdoorkleiner.2e hetendanWL (lagedichtheidslipoproteinen).Intermediaire(IDL) enzeerlagedichtheids(VLDL) lipoproteinenwordenooknogonderscheiden.OvertolligcholesteroldatisvrijgekomenwordtnaardeleverafgevoerddoorHDL(hoge-dichtheidslipoprote'ine).EenhoogHD L-gehalteisgunstig.VanHDL wordtgalvangemaakt.Blijft LDL telangin circulatiedanneemtdekansop oxidatiedoorvrijeradicalen toe.Hierdoor vergrootde kansop bindingaande wandvan slagaders:atherosclerose('slagaderverkalking).
Sommigevetzuren kunnen in hetlichaam niet uit anderestoffen gevormd word en enmoeten
in het voedsel aanwezigzijn. Het worden essentielevetzuren genoemd. Er zijn er twee:
- cx-Linoleenzuur(alphalinolenicacid,ALA; wordt ook LNA genoemd)is eendrievoudig
onverzadigdw-3vetzuur.w-3vetzurenhebben eeneerstedubbelebinding tussenC-atomenaanhet 3deC-atoom vanaf de methylgroep.In het lichaam kan cx-linoleenzuurenigermate
omgezet worden tot EPA (eicosapentaeenzuur) en vervolgens tot DHA(docosahexaeenzuur).In ons dieet is er eenrelatief tekort aan w-3 vetzuren ten opzichtevan w-6 vetzuren. EP A en DHA komen vooral voor in vettevis (zoals makreel, haring,
zalm) en in levertraan.Deze vetzuren maken onder meer deel uitvan celmembranen.Van eenverhoging van de consumptie van vettevis (eenatweemaalper week)worden
veel gunstige eigenschappen vermeld: cardioprotectie door voorkomen van
ritmestoornissen,antidepressievewerking (ook bij debipolaire stoornis), antipsychotischeen anticonvulsievewerking, enz. Nader onderzoek is nodig.- Linolzuur (linoleicacid, LA), een tweevoudig onverzadigd w-6 vetzuur dat in plantengevormdwordt. w-6 vetzurenhebben eeneerstedubbelebinding tussenC-atomen aanhet
6deC-atoom vanaf de methylgroep.In het lichaamworden uit linolzuur arachidonzuur eny-linoleenzuur gevormd.
Naast vetten en olien zijn er nog wassen.Hierbij zitten de vetzuren niet meer aanglycerol,maar aanalcoholen met langekoolstofketens.
Vetzurenkunnenaananderestoffengekoppeldworden.20 is ereensynthetischvetgemaaktwaarbijdevetzurenaansucrosegebondenworden.Deze nieuweverbinding(Olestra(p.1-5) kan in het maag-darmkanaalnietafgebrokenwordenenis daardoorbelangrijkvoordedieet-industrie.Eennadeelis dekansopdiarreeenhetbindenvangelijktijdigin hetmaag-darmkanaalaanwezigevetoplosbarevitaminenenfarmacaaanhetmolecuul,waardoordezestoffenmindergoeddoorhetlichaamopgenomenworden.
VetachtigestoffenDe bovenomschreven vetten en olien worden echte vetten genoemd. Vetachtige stoffen
hebben onder meer eenbelangrijke functie in biologische membranen.
- Fosfolipiden.Kenmerkend voor dezestoffen is datzeeenhydrofobe eneenhydrofielezijde hebben. De glycerofosfolipiden bestaan uit glycerol dat verbonden is met tweevetzuren en op de derde plaats met een alcohol door een fosfaatbinding. De vetzurenvormen dehydrofobe zijde; de fosfaat-alcohol ketenis hydrofiel. Biologische membranen
bestaan voor een belangrijk dee! uit deze glycerofosfolipiden. Een andere groepfosfolipiden wordt gevormd door de sfingolipiden. Glycerol is hierbij vervangen door
sfingosine. Ook de moleculen van deze groep stoffen hebben twee hydrofobe en een
hydrofiele keten.De hydrofobe ketensworden gevormd door het sfingosine zelf en door
-
Basiskenrusscheikunde&natuurkunde A-19
een vetzuur; de hydrofiele keten komt voor rekening van andere verbindingen.Sfingolipidenhebbeneenbelangrijkeherkenningsfunctieop celmembranen.- Sterolen.Dit zijn lipiden die gekenmerktworden door de aanwezigheidvan vieraaneengeslotenkoolstofringen:de steroldkern.Ze hebbenweer eenhydrofieleen eenhydrofobezijde.Naasthun functiein membranenzijn de sterolenverderbelangrijkalsprecursorsvan veelbiologischactievestoffen.Cholesterolis de belangrijkstesterolenheeftdiversefunctiesin hetlichaam.
- Steroidenwordenaangemaaktuit cholesterol.Endogenesteroldenzijnwerkzaamalshormonen.Het zijn hydrofobestoffendieslechtoplosbaarzijn in hetbloedmaardaarinwel eiwitgebondengetransporteerdkunnen worden. Celmembranenworden goedgepasseerd,waarnaintracellulairereceptorenbereiktworden.Zebei"nvloedendeexpressievan genen en het metabolisme.Er bestaanveel synthetischesteroIden met diversetoepassingen.De belangrijkstesteroIdenzijn:
Geslachtshormonen
- Estrogenen(estradiol).- Androgenen(testosteron).Testosteroneneengrootaantalsynthetischestoffenzijn anabole-androgenesterolden.Zeverschillenonderlingin hun(androgene)effectop demannelijkeseksuelekarakteristiekenenin anabolewerking:bevorderingvandeeiwitsyntheseendaardooreentoenamevanomvangenkrachtvanskeletspieren.Bij synthetischeanabolesteroldenzoals nandrolon, is de androgenewerkingzwakker.Ondeskundiggebruikvandezestoffen,bijvoorbeelddoorbodybuildersenalsdoping,kanernstigebijwerkingenveroorzaken.- Progestagenen(progesteron).
Bijnierschorshormonen- Mineralocorticolden(aldosteron)diedewater-enzouthuishoudinginhetlichaamregulerenvia deterugopnamevananorganischeionenin denieren.
Glucocorticoiden(cortisol).Bei"nvloedendestofwisselingvankoolhydraten,eiwittenen vetten werken ontstekingsremmenden onderdrukkende werking van hetimmuunsysteemenvanhethypofyse-bijniersysteem.Meerderesynthetischegluco-corticoldenwordentoegepast;ondermeercortisonenprednison.Langduriggebruikgeeft aanleidingtot veel bijeffecten die ernstig kunnen zijn (zoals groteregevoeligheidvoor infecties,osteoporose,zout- enwaterretentie).
Door activatievan specifiekeenzymenkunnenvan lipiden ook anderestoffengevormdwordenmeteenintracellulaireboodschapperfunctie.Van hetvetzuurarachidonzuurwordenondermeerprostaglandinengemaakt,dieeenuitwerkinghebbenop hetweefselwaarinzeaangemaaktworden.Als fosfolipidenen sterolenmetwatergemengdworden,ordenendemoleculenzichtoteendubbellaagmetdehydrofielezijdennaarbuitenendelipofielezijdennaarelkaartoein hetmiddenvandezelaag.Dit is debasisstructuurvaneencelmembraan.Deze dubbellaagkanook eenbolvormaannemen;dekernvanhetbolletjebevatdanwater.De bolletjesstaanbekendalsliposomen.Ze kunnengebruiktwordenalstransportmiddelvoor farmaca.Lipofiele stoffenwordenopgenomenin dedubbellaagenhydrofie1efarmacain dewaterigekern.Subcutaantoegediendeliposomenwordendoor delymfevaten(bijlageB-25)opgenomenen komen zo in de bloedbaanterecht.Hier kunnen de liposomen doormacrofagenvanhetimmuunsysteemopgeruimdworden.Fuserenmetce1membranenis ookmogelijk.Op dezewijzewordenstoffende eelin getransporteerd.V oor toerueningvia dehuidzijn liposomendoor hun afmetingenweiniggeschikt.
-
Basiskennisscheikunde&natuurkunde
OSMOSE
A-20
In eenoplossingbewegenmoleculenzichvaneenhogerenaareenIagereconcentratie.Ditheetdiffusie.Het hangtvande stof af,of bij dit procescelmembranengepasseerdkunnenworden.Eerderwerdalgewezenop heteffectvandeafmetingenvanhetmolecuulenvanfactorenalsvet-enwateroplosbaarheidbij hetpasserenvanmembranen.
Als eenmembraanalleenmaarbepaalde,bijvoorbeeldkleine,moleculenlaatpasseren,kunnenerosmotischeprocessenoptreden.Eenvoorbeeldzalditverduidelijken.Steldatmeneenbakneemtmetin hetmiddeneenscheidingswanddiegeperforeerdis. De gatenhierinhebbeneendusdanigeafmetingdatallemoleculenervrij doorheengaan.Wordtdelinkerhelftmetzuiverwatergevuldenderechterzijdemeteenfysiologischezoutoplossing(0.9%NaCl),dan zal er door diffusienet zo langzout naarlinks gaanen waternaarrechtstotdateenevenwichtontstaat:
Aanvangssituatie:Links:
100,0 %H2ORechts:99,1%H2O" 0,0 %NaCl "0,9%NaCl
Evenwichtssituatie: Links:99,55%H2ORechts:99,55%H2O" 0,45%
NaCl "0,45%NaCl
Een anderebakwordtvoorzienvaneenscheidingswandmetzeerkleinegaatjes.Dezegaatjeszijn groot genoegom waterdoor te laten,maarte klein om glucose(C6H1206) te latenpasseren.Het is eenselectiefpermeabelmembraan.Linkswordtnueenoplossingbestaandeuit 10% glucoseen 90% watergedaan.Rechts 5% glucosemet 95% water.De kleinewatermoleculenbewegenzichvrij in derichtingvandehoogstenaardelaagsteconcentratie(dezogenaamdeconcentratiegradient).De tegroteglucosemoleculenkunnennietnaardezijdemetdelaagsteconcentratiebewegen.
Aanvangssituatie:Links:
90,0%H2ORechts:95,0%H2O" 10,0%C6H1206"
5,0%C6H1206Evenwichtssituatie: Links:
92,5%H2ORechts:92,5%H2O" 7,5%C6H1206"
7,5%C6HI206
Het waterniveauis linksgestegendoordetoestromingvanwater;doordevergrotingvandehoeveelheidwateris deconcentratievandeglucosehierafgenomen.Dit is dusnietgebeurddoor transportvan glucosedoor dehalfdoorlaatbarewand.V oor hetgemakwordt hierbijafgezienvananderefactorendieditsoortprocessenbdnvloeden,zoalsverschilin waterdruktussende linker- en rechterzijdevan de bak als het niveaulinks is gestegendoor detoestromingvanwater.Dezebewegingvanhetwaterin hettweedevoorbeeldheetosmose.Inde aanvangssituatiebestond er een verschil in osmotischedruk tussende linker- enrechterkantvandebak.
In hetlichaamis deosmotischedrukvandecelinhoudvangrootbelang.Als deomgevingvandecellenuiteenvloeistofbestaatmeteenlageredruk(eenhypotonevloeistof),kanwaterde celbinnendringenwaardoorde cel zwelt.Het omgekeerdeis hetgevalalsde vloeistofwaarindecelzichbevindthypertoonis enduseenhogereosmotischewaardeheeft.Dan zalwateraandecelonttrokkenworden.Bij eensituatiewaarindedrukbinnenenbuitendecelgelijkis,zalergeenwatertransportplaatsvinden.Dit is eenisotonesituatie:gelijkeosmotischedrukbinnenenbuitendecel.
-
Basiskennisscheikunde& natuurkunde
ZUURGRAAD (PH)
A-21
De wateroplosbaarheid van stoffen is mede afhankelijk van de mate waarin stoffen uiteen
kunnen vallen in elektrisch geladendeeltjes:ionen. Zo valt keukenzout (N aCl) uiteen in het
positief geladen natriumion (Na+) en het negatief geladen chloorion (Ct). Ook water isge1oniseerd;hoewel slechtsin lichte mate:H20? H+ + OH-. Hierbij ontstaanrespectievelijkhet waterstof-ion (H+) en het hydroxyl-ion (OH} Deze reactie kan in beide richtingen
verlopen, waardoor er een evenwichtstoestandontstaat.In plaatsvan uiteenvallenin ionen
spreektmen meestalvan dissociatie.De matewaarin dit gebeurt is de dissociatiegraad.
Voor de bespreking van de zuurgraad zijn deze waterstof-ionen en hydroxyl-ionen vanbelang.Een zuur is een stof die een toenamegeeftvan de concentratievan H+-ionen: het is
een protondonor. In een verdunde oplossing is HCl (zoutzuur) geheel gedissocieerd in
waterstof- en chloor-ionen. Een basegeefteenafnamevan de concentratievan de H+-ionen,
hetis eenprotonacceptor. NaOH (natriumhydroxide) is een sterkebasedie in eenoplossinguiteenvalt in natrium- en hydroxyl-ionen. Door binding van deze hydroxyl-ionen met dewaterstof-ionen, tot water, neemt de concentratievan de aanwezigewaterstof-ionen af, en
wordt de oplossing minder zuur. De zuurgraadvan eenoplossing wordt uitgedrukt door eengetal:de 'pH'.
Hiermeewordtdenegatievelogaritmevandeconcentratiewaterstofionenin deoplossingweergegeven.In gedestilleerdwateris dieconcentratie10-7M (mol/liter)endepH dus7.DezepH is neutraalomdater evenveelH- alsOH-ionen aanwezigzijn. Bij eentoenamevande concentratievande H-ionen,bijvoorbeeldtot10-3,neemtdepH af.De oplossingis dannietmeerneutraal,maarzuur.
maxunum: 14
i13
12
It(ammonia.bleekwater
11basisch 10
98bloed
1~neutraa1:
It(7
65zuur
4
!3
It( azijn,cola
2
It(maagsap,citroensap
1rru.ru.rnum:0It(zoutzuur
Fig. 21 Zuurgraadvanenkelevloeistoffen.
De meest zure oplossing heeft een 0als pH waarde; terwijl het maximum
op de zuurgraadschaal, een waardevan 14, een uiterst basische
(=alkalische) oplossing aanduidt
(Fig. 21).Als de pH waardevan tweevloeistoffen 3 eenhedenop de schaalverschilt, dan betekent dit dat hetverschil in de concentratie van de
waterstofionen 103 bedraagt. Een
neutraleoplossing zoals gedestilleerdwater, bevat gelijke aantallenwaterstof- enhydroxyl-ionen enheeft
de pH-waarde 7.
De dissociatiegraadvan eenzwakzuur of vaneenzwakkebasehangtaf van de zuurgraadvandeomgeving.Eenzwakzuurioniseertbeterineenalkalischeoplossing,enjuistminderineenzureomgeving.Bij eenzwakkebaseisditjuistomgekeerd.DepH waarbijeenstofevenveelvoorkomtingei'oruseerdealsongeYoniseerdevorm,heetdepKa'VooracetylsalicylzuurbedraagtdepKa:3,5.Dezuurgraadvandemaagbelnvloedtdusdematevanionisatievanbepaaldefarmaca.Eengevolghiervanis eenverschuivingin delipofiele/hydrofieleeigenschappenvandezestoffen.Door eenafnamevandedissociatievanzwakkezurenin demaag,neemtdevetoplosbaarheidtoeendaarmeedeabsorptiedoordemaagwand.In dedarmenstijgtdepH enwordtdeinhouduiteindelijklichtbasisch.Oak ditresulteertweerineenwijzigingindematevanionisatievandeaanwezigestoffen:dedissociatievanzwakkezurenneemttoe;deabsorptiedoordedarmwandverminderthierdoor.
-
Basiskennisscheikunde& natuurkunde A-22
Irreversibeleprotonpompremmers,zoaIsomeprazoI(Losec)wordengebruiktomdesecretievanH+doordemaagwandteremmen.Na enkeIedagenzijnweernieuweprotonpompenaangemaakt.