Elementen en verbinding

Inleiding

Organismen bestaan uit stoffen, uit materie. Bij het vak scheikunde heb je natuurlijk al geleerd dat levende en dode materie uit atomen bestaat. Om de reacties in cellen te kunnen begrijpen, moet je iets weten van atomen en van de verbindingen daartussen.

 

 

Atomen en verbindingen

Sommige stoffen bestaan uit atomen van één enkele soort, bijvoorbeeld zuurstof O2. Stoffen die bestaan uit meerdere atoomsoorten noemt men samengestelde stoffen. Atomen kunnen hun elektronen met elkaar delen en dit is de basis voor de chemische binding.

Het leven op aarde gebruikt ongeveer 25 verschillende atomen (ze worden ook wel elementen genoemd).

Organismen bestaan voor 96% uit vier atomen (koolstof, zuurstof, waterstof en stikstof).
Vier andere (fosfor, zwavel, calcium en kalium) nemen een groot deel van de overige 4% voor hun rekening.

Sommige komen maar in kleine hoeveelheden in een organisme voor, maar dat betekent niet dat je ze kunt missen. Zo heb je bijvoorbeeld dagelijks 0,15 mg jodium nodig om voldoende schildklierhormoon te kunnen vormen.

Verbindingen
Elk atoom heeft zijn eigen atoomnummer.
Dit atoomnummer komt overeen met het aantal protonen in de kern. In een neutraal atoom (een atoom zonder lading) is het aantal elektronen in de schillen om de kern gelijk aan het aantal protonen. De eigenschappen van een atoom worden voor een groot deel bepaald door het aantal elektronen in de buitenste schil.
Verbindingen tussen atomen komen tot stand doordat atomen elektronen gaan delen of uitwisselen.

Bij ionbindingen worden de elektronen niet gedeeld.
Ze verlaten de elektronenschil van het ene atoom en vestigen zich in de elektronenschil van een ander atoom. Keukenzout bijvoorbeeld ontstaat uit natrium- en chlooratomen. Doordat het Na-atoom een elektron heeft afgestaan, is het nu een positief geladen ion; het Cl-ion is negatief geladen.
Bij een covalente binding delen twee atomen samen zoveel elektronen dat het totaal aantal elektronen (inclusief de gedeelde elektronen) de buitenste schil volledig vult. Een voorbeeld hiervan is de verbinding tussen twee zuurstofatomen.

Moleculen

Twee of meer atomen die aan elkaar verbonden zijn, vormen een molecuul.
Het aantal bindingen dat een scheikundig element kan aangaan, ligt vast.
Dat aantal wordt bepaald door het aantal elektronen in de buitenste schil (de valentie-elektronen).

Niet alleen in een molecuul, maar ook tussen moleculen bestaat een bepaalde aantrekkingskracht.

Een molecuul heeft andere eigenschappen dan de atomen waaruit het is samengesteld. Natrium is in zuivere vorm een metaal en chloor een giftig gas, maar NaCl is eetbaar. Water is vloeibaar bij kamertemperatuur, terwijl waterstof en zuurstof bij die temperatuur beide gasvormig zijn.

Bindingen tussen moleculen
Er zijn stoffen waarin de covalente binding veel lijkt op een ionbinding.
Dat komt doordat het ene atoom harder aan de elektronen trekt dan het andere. Er ontstaat dan een polaire covalente binding, bijvoorbeeld bij het watermolecuul.
De twee uiteinden van de binding hebben dan een tegengestelde lading (δ- en δ+).

Bij stoffen waarin een polaire covalente verbinding voorkomt, is er ook een aantrekkingskracht tussen de moleculen. Positieve en negatieve uiteinden van de moleculen trekken elkaar dan aan. Zo kan bijvoorbeeld een waterstofbrug ontstaan.

Functie van waterstofbruggen

In grote moleculen zoals DNA zorgen waterstofbruggen voor extra stabiliteit van het molecuul. Bij het afbreken van de moleculen, moeten ook de waterstofbruggen worden verbroken, wat extra energie kost.

Waterstofbruggen in water
Water dankt zijn bijzondere eigenschappen aan de waterstofbruggen tussen de moleculen.

Watermoleculen zijn sterker aan elkaar verbonden dan de moleculen van andere vloeistoffen. Daardoor ontstaat o.a. de capillaire werking in de nauwe vaatbundels van planten (fig A) en de oppervlaktespanning aan een wateroppervlak (fig B).

Ook oplosbaarheid van stoffen wordt beïnvloed door ladingsverdeling binnen watermoleculen.
De positieve ionen van zouten worden aangetrokken door de negatieve delen van de watermoleculen; de negatieve ionen door de positieve delen (fig C).  

Ook polaire stoffen (zoals suiker) zijn oplosbaar in water. Deze stoffen worden hydrofiel genoemd. Stoffen die niet oplossen in water zijn hydrofoob.

Macromoleculen

Cellen bestaan voor het grootste gedeelte uit water.
Gemiddeld gezien bevatten plantencellen meer water dan dierlijke cellen (75% t.o.v. 65%).
Water vervult een aantal belangrijke functies.

  • het is een oplosmiddel en transportmiddel van talrijke stoffen (ionen, moleculen, etc…).
  • het is een reagens bij talrijke reacties (hydrolyse, fotosynthese).
  • het is belangrijk voor temperatuurregeling.
  • het zorgt voor stevigheid bij planten.

In dat water opgelost vinden we mineralen en een groot aantal grote moleculen.

Anorganische en organische stoffen

Water is een anorganische stof. Andere belangrijke anorganische stoffen zijn koolstofdioxide (CO2) en zuurstof (O2). Ook zouten zijn anorganische stoffen.
Voorbeelden zijn keukenzout (natriumchloride) en gips (calciumsulfaat).
Dit zijn allemaal kleine moleculen.

Organische stoffen zijn stoffen waarin koolstof (C) voorkomt, met uitzondering van koolmonoxide (CO) en koolstofdioxide (CO2).
Naast C-atomen bevatten organische stoffen ook veel H- en O-atomen.
Koolhydraten en vetten behoren tot de organische stoffen, evenals eiwitten en nucleïnezuren. Deze laatste drie bevatten naast de genoemde elementen ook nog de elementen N (stikstof) en S (zwavel) en P(fosfor).
Veel van deze moleculen zijn erg groot. We noemen ze dan ook macromoleculen.

Koolhydraten en vetten

Koolhydraten bevatten de elementen koolstof (C), waterstof (H) en zuurstof (O). De algemene formule is Cn(H2O)m. Hieraan danken ze ook hun naam (hydraat betekent  verbinding van een stof met water).
Vetten bestaan ook uit de elementen C, H en O. Een verschil met de koolhydraten is dat vetmoleculen heel veel koolstof en waterstof en weinig zuurstof bevatten.

Vetten zijn niet oplosbaar in water.
Vetmoleculen zijn grote moleculen, die in water onoplosbaar zijn. Ze bestaan uit twee soorten bouwstenen: een uit drie C-atomen opgebouwd molecuul, glycerol, en lange vetzuurmoleculen. Aan elk C-atoom van glycerol is een vetzuur gebonden, onder afsplitsing van water.

Er is een groot aantal verschillende vetzuurmoleculen (bijv. linolzuur, palmitinezuur, stearinezuur) waardoor een groot aantal verschillende vetten gevormd kan worden.
De vetzuren verschillen in het aantal koolstof atomen (meestal ca 10-20 ) en in het aantal dubbele bindingen tussen de koolstofatomen.

Vetten zijn onder andere belangrijk als reservebrandstof voor de cellen. Bovendien vormen speciale vetcellen bij veel dieren een beschermende laag onder het huidoppervlak en rond organen.

Verzadigde en onverzadigde vetten
Sommige C-atomen in de vetzuurketen zijn verbonden door een enkele binding, andere door een dubbele. Wanneer in een vetzuur één of meer dubbele bindingen voorkomen, noemt men de keten onverzadigd.
De mate van verzadiging en de lengte van de vetzuurketen bepalen de eigenschappen van het vet.
Zo zijn korte, onverzadigde ketens vloeibaar bij kamertemperatuur. Lange verzadigde ketens zijn bij kamertemperatuur vast.

Verzadigde vetten zijn meestal van dierlijke oorsprong, in plantaardige producten vind je vooral onverzadigde vetten.

Monosacchariden/Disacchariden/Polysacchariden

De eenvoudigste koolhydraten die in organismen voorkomen zijn de monosacchariden.
Het meest voorkomende monosaccharide is glucose (druivensuiker C6H12O6). Glucose is de belangrijkste brandstof voor cellen en is tevens de bouwsteen voor  grotere koolhydraten. Glucose lost goed op in water. Andere belangrijke monosacchariden zijn fructose (vruchtensuiker), galactose, ribose en desoxyribose.

Disacchariden worden gevormd door samenvoeging van twee monosaccharides. Saccharose (dat is de riet- of bietsuiker die je in de winkel koopt) komt veel in planten voor. Ook maltose vinden we vooral in planten.
Lactose (melksuiker) is een disaccharide in dierlijke melk.

Polysacchariden bestaan uit lange ketens van monosacchariden.
Zo bestaat amylose (zetmeel) uit ketens van glucosemoleculen. Amylose lost niet op in water. Het is een belangrijke reservebrandstof voor planten.
Het komt dan ook vooral voor in zaden, wortels en knollen.
Glycogeen lijkt veel op amylose. Glycogeen is vertakt, amylose niet.
Het komt als reservebrandstof bij dieren voor, vooral in de lever en in de spieren.
Ook cellulose bestaat uit glucosemoleculen. De glucose-eenheden zijn op een iets andere manier met elkaar verbonden dan in glycogeen of in amylose, waardoor lange platte ketens ontstaan. Cellulose is het hoofdbestanddeel van de celwand van de plantencel; het zorgt voor de stevigheid van de celwand.
In katoen, linnen en papier zitten veel cellulose vezels. In de huid van insecten komt chitine voor. Dat is ook een polysaccharide. Cellulose en chitine zijn tussencelstoffen

Monosacchariden (glucose)
Disacchariden (saccharose)
Polysaccharide (zetmeel)

 

Fosfolipiden/Steroïden

Fosfolipiden
Een fosfolipide is een soort vet waarbij een van de vetzuurmoleculen vervangen is door een fosforzuurester. De fosforzuurester draagt ladingen en is daardoor hydrofiel, in tegenstelling tot de hydrofobe vetzuurstaarten.

De basis van een celmembraan is een dubbellaag van fosfolipiden.
De hydrofiele fosfaatkoppen zijn gericht naar de waterige oplossing binnen en buiten de cel. De hydrofobe vetzuurstaarten zijn naar de binnenzijde van het membraan gericht.

Ook andere membranen in de cel zijn op dezelfde wijze gebouwd.

Steroïden
Ook steroïden zijn vetachtige stoffen.
Een bekende steroïde is cholesterol.

Steroïden bestaan uit een basis van vier aan elkaar verbonden koolstofringen. Aan die ringen kunnen verschillende functionele groepen zitten.
Veel hormonen zijn steroïden. Ze worden gemaakt uit cholesterol.  

Eiwitten

Meer dan 50% van de droge stof van een cel bestaat uit eiwitten. De eiwitten in een cel hebben ieder een eigen functie. Eiwitten bestaan uit de elementen C, H, O en N (stikstof) en soms ook nog S (zwavel).


Eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren. Alle aminozuren bevatten één zgn. ‘restgroep’. Deze restgroep is bij ieder aminozuur anders.

Er komen twintig verschillende aminozuren in eiwitten voor. Door een zogenoemde peptide-binding kunnen twee aminozuren worden gekoppeld.
De zuurgroep van het ene aminozuur gaat een verbinding aan met de amino-groep van het andere aminozuur. Hierbij komt water vrij. Een dipeptide bestaat uit twee aminozuren,een tripeptide uit drie en zo verder. De kleinste eiwitten bestaan uit ca. vijftig aminozuren, het zijn polypeptiden. Het eiwit insuline bestaat  bijvoorbeeld uit 49 aminozuren. De meeste eiwitten zijn opgebouwd uit honderden aminozuren.

Structuur van eiwitten

De volgorde waarin de aminozuren door peptide-bindingen aan elkaar zitten in een eiwit noem je de primaire structuur.
Afhankelijk van de aantrekkende of afstotende krachten tussen de verschillende restgroepen, neemt een aminozuurketen een bepaalde vorm aan, bijvoorbeeld een spiraal (secundaire structuur).
Deze spiraal kan worden gevouwen (tertiaire structuur).
Als een eiwit is opgebouwd uit verschillende subeenheden (ieder met een tertiaire structuur) spreek je van een quaternaire structuur.

De ruimtelijke structuur is belangrijk voor de werking van het eiwit.
Wanneer deze structuur verloren gaat door bijvoorbeeld een te hoge temperatuur (denaturatie), verliest het eiwit zijn biologische werking.

Nucleïnezuren

Nucleinezuren danken hun naam aan het feit dat ze als eerste gevonden zijn in de kern (nucleus).
Het zijn zeer grote moleculen, bestaand uit C, H, O, S, N en P.

Soorten nucleïnezuren
De belangrijkste nucleïnezuren zijn DNA en RNA.

De bouwstenen van nucleïnezuren zijn nucleotiden.
Iedere nucleotide bestaat uit:

  • een suiker molecuul;
  • een fosforzuurrest;
  • één van de vijf stikstofbasen:
    Adenine, Cytosine, Guanine, Thymine en Uracil
    (afgekort A, C, G, T en U).

DNA/RNA

DNA
In het DNA-molecuul zijn de basen gebonden aan het suikermolecuul desoxyribose.

De nucleotiden zijn in de lengterichting met elkaar verbonden als kralen in een ketting.

De twee nucleotideketens zijn met elkaar verbonden doordat steeds één base van de ene keten met één base van de andere keten waterstofbruggen vormt.
Hierbij zijn steeds maar twee basecombinaties mogelijk, namelijk A met T en G met C.
In de lengterichting zijn daarentegen erg veel verschillende volgorden van nucleotiden mogelijk.
Elk DNA-molecuul heeft zo zijn eigen ‘patroon’ van nucleotiden.

RNA
RNA bestaat uit één enkele streng van nucleotiden.
Elk nucleotide bestaat uit een suikermolecuul ribose, een fosforzuurrest en een stikstofbase. In plaats van de stikstofbase Thymine komt in RNA een andere stikstofbase voor, namelijk Uracil.
Er zijn verschillende soorten RNA-moleculen met elk hun eigen functie.
Zie voor de aanmaak en functie van DNA en RNA kennisbank "Bouw en functie van nucleïnezuren".

Functie van eiwitten in een cel

De eiwitten in een cel hebben ieder een eigen functie.
Eiwitten kunnen de cel verstevigen of ervoor zorgen dat een bepaalde chemische reactie plaatsvindt.
Ook bij de afweer spelen eiwitten een belangrijke rol; ze kunnen hechten aan de eiwitten van een ziekteverwekker, waardoor deze onschadelijk wordt gemaakt. Eiwitten in het bloed vervullen een functie bij de bloedstolling of afweer.
Veel hormonen zijn eiwitten.

Structuureiwitten/transporteiwitten

Structuureiwitten geven stevigheid aan organen en weefsels. Haren bestaan uit het eiwit keratine.
Pezen en  kraakbeen bestaan uit collageen, net als het stevigheidsweefsel in de huid.
Het cytoskelet bestaat uit verschillende structuureiwitten, zoals actine.
Actine en myosine zijn de eiwitten die ervoor zorgen dat spieren kunnen samentrekken.

Transporteiwitten in membranen zorgen ervoor dat stoffen die de membraan niet zonder meer kunnen passeren, toch opgenomen of afgegeven kunnen worden. Sommige van deze eiwitten vormen kanaaltjes waardoor het transport kan plaatsvinden.
Er zijn ook transporteiwitten die van vorm veranderen en zo het transport van een stof mogelijk maken.
Deze eiwitten worden carriers (= dragers) genoemd.
Een derde groep zijn de transporteiwitten die opgelost zijn in het bloed. Hemoglobine bijvoorbeeld zorgt voor het transport van zuurstof.

Eiwitten voor de communicatie/opslag

Eiwitten voor communicatie
Er zijn eiwitten die een rol spelen bij de communicatie tussen cellen.
Hormonen zijn vaak eiwitten en ze worden door het bloed getransporteerd van bijvoorbeeld de eierstokken naar de hypofyse. Eenmaal daar aangekomen, zijn er eiwitten in de celmembraan van de cellen van de hypofyse (receptoreiwitten) waaraan het hormoon zich kan binden. Hierdoor komt in de cel een reactie op gang. De reactie kan zich bijvoorbeeld zich in de kern afspelen, maar soms ook alleen in het cytoplasma.
Receptoren komen aan de buitenkant van de cel voor (gehecht aan de membraan) maar ook op membranen binnen de cel of in het cytoplasma.

Eiwitten voor opslag
In het wit van een ei en in melk komen eiwitten voor waarmee dieren hun jong enige tijd kunnen voeden. Ook zaden van planten bevatten eiwitten voor de nakomeling.

Enzymen

De duizenden chemische reacties in een cel worden versneld of vertraagd door een grote groep eiwitten, de enzymen. Voor hun werking is de tertiaire en quartaire structuur heel belangrijk. De namen van enzymen zijn vaak afgeleid van de reactie die ze beïnvloeden.
Voorbeeld: Amylase versnelt de afbraak van zetmeel (= amylose), ATPasesplitst ATP in ADP en P.

Eiwitten met een verdedigingsfunctie

In het bloed komen antistoffen voor die het lichaam ondersteunen bij het bestrijden van lichaamsvreemde stoffen die zijn binnengedrongen. Deze antistoffen (geel-blauwe moleculen in de afbeelding) zijn eiwitten. Ze kunnen binden met bijvoorbeeld de eiwitten op de membraan van een binnengedrongen ziekteverwekker (groen). Die ziekteverwekkers klonteren dan samen en kunnen door weer andere cellen worden herkend en vernietigd. Eiwitten, los in het bloed en gebonden aan membranen, spelen dus een grote rol bij de herkenning van lichaamseigen en lichaamsvreemd.

Andere eiwitten in het bloed spelen een rol bij de bloedstolling. Fibrinogeen en trombine zijn daar de bekendste van.

Motoreiwitten

Een motoreiwit is een eiwit dat gespecialiseerd is in het transporteren van onderdelen van de cel binnen de cel. Motoreiwitten bewegen zich over de filamenten van het cytoskelet. Ze zorgen zo o.a. voor het transport van organellen, voor het samentrekken van spieren en voor het transport van chromosomen tijdens de mitose. Ze worden aangedreven door ATP.

  • Het arrangement Elementen en verbinding is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    VO-content
    Laatst gewijzigd
    06-05-2021 10:08:05
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationale licentie.

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Toelichting
    De Kennisbanken bevatten de theorie bij de opdrachten.
    Leerinhoud en doelen
    Biologie;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    Voor developers

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Wikiwijs is een dienst van