hoofdstuk1ufora (2).pdf

# Introductie tot biochemie en de rol ervan in geneeskunde/tandheelkunde Biochemie vormt een essentieel onderdeel van de geneeskunde en tandheelkunde door de moleculaire basis van biologische processen te verklaren, wat cruciaal is voor het begrijpen van gezondheid en ziekte [3](#page=3). ### 1.1 Het belang van biochemie in geneeskunde en tandheelkunde Biochemie is van vitaal belang in de geneeskunde en tandheelkunde om verschillende redenen [3](#page=3): * **Begrip van proteïnefunctie:** Proteïnen worden beschouwd als de "werkpaarden" van de cel, in tegenstelling tot DNA dat inactief is. Het begrijpen van hun structuur en functie is fundamenteel [3](#page=3). * **Medicijnwerking:** Veel medicijnen werken door in te grijpen op proteïnen, die dienen als doelwitten voor deze medicijnen. Soms is het proteïne zelf het medicijn [3](#page=3). * **Basis van ziektebeelden:** Biochemische processen liggen aan de oorsprong van talrijke aandoeningen en klinische syndromen [3](#page=3). ### 1.2 Voorbereiding en benodigde voorkennis Voor een succesvolle studie van biochemie is het noodzakelijk om voorkennis te hebben van organische scheikunde. Dit vormt ook een prelude op onderwerpen als enzymkinetiek en metabolisme [5](#page=5). > **Tip:** Het vermogen om internet te gebruiken om problemen op te lossen is een belangrijke vaardigheid tijdens de studie. De syllabus dient als leidraad [5](#page=5). --- # Werkingsmechanismen van medicijnen Dit onderwerp belicht de interactie van medicijnen met biomoleculen, specifiek eiwitten, met een gedetailleerde analyse van transpeptidase en de rol van lactamringen. ### 2.1 Medicijnwerking en biomoleculaire interactie Medicijnen werken door te interageren met specifieke biomoleculen in het lichaam, voornamelijk eiwitten. Deze interacties kunnen leiden tot een verandering in de functie van het eiwit, wat uiteindelijk het therapeutische effect van het medicijn veroorzaakt [4](#page=4). ### 2.2 Transpeptidase en de synthese van polysuikerketens Een cruciaal enzym in de celwand synthese van bacteriën is transpeptidase. Dit enzym is verantwoordelijk voor het aanhechten van een pentaglycinebrug aan D-alanine, wat essentieel is voor de integriteit van de celwand. De structuur van de polysuikerketen, die bestaat uit herhalende eenheden van N-acetylglucosamine (NAG) en N-acetylmuraminezuur (NAM), wordt hierdoor versterkt [4](#page=4). #### 2.2.1 De rol van de lactamring in remming De lactamring speelt een sleutelrol in het remmen van transpeptidase. Deze ringstructuur kan covalent binden aan het actieve centrum van het transpeptidase-enzym. Door deze binding wordt het enzym permanent geïnactiveerd, waardoor de vorming van de celwand wordt onderbroken. Dit principe wordt benut in de werking van bèta-lactam antibiotica, zoals penicilline [4](#page=4). > **Voorbeeld:** Een medicijn met een lactamring kan zich hechten aan het serine (Ser) residu in het actieve centrum van transpeptidase. De ring opent zich en vormt een covalente binding met het enzym, waardoor het onwerkzaam wordt. Dit proces verhindert de cross-linking van de peptidoglycaanketens, wat leidt tot een verzwakte celwand en uiteindelijk tot celdood van de bacterie [4](#page=4). #### 2.2.2 Illustratie van de interactie De interactie tussen een lactamring en transpeptidase kan als volgt worden weergegeven: * **Normale reactie:** Transpeptidase faciliteert de aanhechting van de pentaglycinebrug (Gly5NH2) aan D-alanine, wat leidt tot een stabiele polysuikerketen [4](#page=4). * **Remming door lactamring:** De lactamring van een medicijn bindt aan het actieve centrum van het enzym, waardoor de normale reactie wordt geblokkeerd. De afbeelding toont de lactamring die reageert met een enzym (enzym), wat leidt tot een covalente modificatie van het enzym en het verlies van zijn katalytische activiteit [4](#page=4). #### 2.2.3 Structuur van de polysuikerketen De basisstructuur van de polysuikerketen waarop de glycinebrug wordt aangehecht, bestaat uit herhalende eenheden van NAG en NAM, met daartussen specifieke aminozuurresiduen zoals alanine (Ala), D-alanine (D-Ala), lysine (Lys) en D-glutamine (D-Gln) [4](#page=4). * **NAGNAMNAGNAM** representeert de ruggengraat van de polysuikerketen [4](#page=4). * **Ala-D-Ala-D-Ala-Lys-D-Gln** is een voorbeeld van de zijdelingse keten die de glycinebrug zal binden [4](#page=4). * **H2NGly5** vertegenwoordigt de pentaglycinebrug [4](#page=4). > **Tip:** Begrijpen hoe specifieke chemische structuren, zoals de lactamring, interageren met enzymen is cruciaal voor het begrijpen van veel klassen van medicijnen, met name antibiotica. Bestudeer de chemische reactiviteit van deze functionele groepen. --- # Zwakke krachten en hun rol in biochemie Zwakke, niet-covalente interacties vormen de basis voor de structuur en functie van biomoleculen en zijn essentieel voor alle biochemische processen [6](#page=6). ### 3.1 Introductie tot zwakke bindingen Biochemische processen berusten op transiënte of permanente interacties, oftewel bindingen, tussen biomoleculen. Deze bindingen zijn zwakke, niet-covalente associaties die de volgende typen omvatten: waterstofbruggen, ionaire of elektrostatische bindingen, het hydrofoob effect en van der Waals interacties. De energie van deze interacties is significant lager dan die van covalente bindingen, wat essentieel is voor de dynamiek van biochemische reacties [6](#page=6) [9](#page=9). ### 3.2 Waterstofbruggen Water, dat 70 tot 80% van levende organismen uitmaakt, vormt een netwerk via waterstofbruggen. Door het hoge elektronegatieve karakter van zuurstof worden de gemeenschappelijke elektronenparen in covalente bindingen naar zich toegetrokken, wat resulteert in een polaire structuur met een dipoolmoment. Dit dipoolmoment zorgt ervoor dat watermoleculen zich oriënteren ten opzichte van elkaar, wat leidt tot zwakke interacties die bekend staan als waterstofbruggen [7](#page=7). De energie van waterstofbruggen tussen watermoleculen is ongeveer 5 kcal/mol. Dit is aanzienlijk lager dan de bindingsenergie van een covalente binding, zoals de O-H binding die ongeveer 110 kcal/mol bedraagt. De afstand tussen kernen bij een O-H binding is ongeveer 1.2 Å, terwijl deze bij een waterstofbrug ongeveer 2.7 Å is. Waterstofbruggen dragen bij aan het hoge kookpunt van water [9](#page=9). Functionele groepen in biomoleculen die atomen met een sterk elektronegatief karakter bevatten, zoals zuurstof (O) en stikstof (N), kunnen waterstofbruggen vormen. Voorbeelden hiervan zijn hydroxylgroepen (OH), aminegroepen (NH2), carbonylgroepen (C=O) en amidegroepen. Deze groepen zijn van belang voor de oplosbaarheid van moleculen in water en worden geassocieerd met hydrofiele eigenschappen. Een molecuul dat een waterstofatoom levert voor een waterstofbrug wordt een waterstofbrugdonor genoemd, terwijl een molecuul dat een elektronegatief atoom bevat dat een waterstofatoom kan accepteren, een waterstofbrugacceptor is. Waterstofbruggen kunnen lineair of niet-lineair zijn [10](#page=10). > **Tip:** Het vermogen om waterstofbruggen te vormen en te accepteren is cruciaal voor de interactie van biomoleculen met water, wat hun oplosbaarheid en functie in de cel beïnvloedt. ### 3.3 De ionaire binding Wanneer het verschil in elektronegativiteit tussen atomen groot is, kan een elektronenpaar van de donor overgaan naar de acceptor, waardoor het accepterende atoom een anion wordt. Tegelijkertijd kan een H+ geassocieerd worden met een ander atoom, wat resulteert in een kation. De aantrekkingskracht tussen deze geladen ionen wordt bepaald door de wet van Coulomb [11](#page=11). De sterkte van de ionaire binding is sterk afhankelijk van het diëlektrisch karakter van het medium, uitgedrukt door de diëlektrische constante (D). Water heeft een hoge diëlektrische constante (ongeveer 80), vergeleken met vacuüm. Hierdoor is water een uitstekend oplosmiddel voor ionen, aangezien de watermoleculen (met hun dipoolkarakter) de ionen omringen en stabiliseren via een watermantel, waarbij hydratatie-energie vrijkomt [12](#page=12) [1](#page=1). ### 3.4 Van der Waals interactie Van der Waals interacties zijn zwakke interacties die optreden tussen niet-polaire moleculen. Deze interacties ontstaan door transiënte dipolen die zich vormen als gevolg van willekeurige fluctuaties in de elektronenverdeling. De sterkte van deze interactie is sterk afhankelijk van de afstand tussen de moleculen, met een optimale interactie op een bepaalde afstand die overeenkomt met de van der Waals straal, wat ongeveer tweemaal de covalentebindingsstraal is. Hoewel de energie van een van der Waals interactie slechts ongeveer 1 kcal/mol bedraagt, zijn ze niettemin belangrijk vanwege hun collectieve effect bij grote aantallen interacties [13](#page=13). De van der Waals straal van enkele atomen die voorkomen in biomoleculen zijn als volgt: - Waterstof (H): 1.2 Å [14](#page=14). - Koolstof (C): 2.0 Å [14](#page=14). - Stikstof (N): 1.5 Å [14](#page=14). - Zuurstof (O): 1.4 Å [14](#page=14). - Zwavel (S): 1.85 Å [14](#page=14). ### 3.5 Het hydrofoob effect Het hydrofoob effect beschrijft het fenomeen waarbij hydrofobe moleculen of delen van moleculen in waterige oplossingen de neiging hebben om met elkaar te associëren. Dit staat in contrast met hydrofiele moleculen die juist goed oplossen in water. Een voorbeeld hiervan is de associatie van twee benzeenmoleculen in water. Het hydrofoob effect is een belangrijke drijvende kracht achter de opvouwing van eiwitten tot hun driedimensionale structuur [15](#page=15). ### 3.6 Synergie van zwakke krachten in biochemische processen Hoewel individueel zwak, zijn deze krachten gezamenlijk noodzakelijk voor een breed scala aan biochemische processen. Zo is de structuur van dubbelstrengig DNA gebaseerd op waterstofbrugvorming tussen de nucleotiden. De hydrofobe kracht speelt een cruciale rol bij de vorming van membraanstructuren. Verder werken verschillende van deze krachten samen om complexe structuren te vormen, zoals de secundaire structuur van eiwitten, die tot stand komt door een combinatie van waterstofbrugvorming, van der Waals interacties en hydrofobe interacties. Ook de binding van transcriptiefactoren aan DNA wordt gefaciliteerd door elektrostatische interacties en waterstofbrugvorming [19](#page=19). > **Tip:** Begrijpen hoe verschillende zwakke krachten op elkaar inwerken en elkaar versterken, is essentieel voor het verklaren van de stabiliteit en functionaliteit van biologische macromoleculen. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Proteïne (eiwit) | Werkpaarden van de cel die verantwoordelijk zijn voor een breed scala aan biologische functies en vaak het doelwit zijn van medicijnen. | | DNA (Desoxyribonucleïnezuur) | Het molecuul dat genetische informatie draagt en de blauwdruk vormt voor de synthese van eiwitten. Wordt behandeld in het tweede semester. | | Transpeptidase | Een enzym dat een cruciale rol speelt bij de aanhechting van een pentaglycinebrug aan D-alanine, zoals geïllustreerd in de context van medicijnwerking. | | Lactamring | Een cyclische amide functionele groep die aanwezig kan zijn in moleculen en relevant is voor de interactie met enzymen zoals transpeptidase. | | Organische scheikunde | Een voorvereiste voor het begrijpen van biochemie, met name de structuur en reacties van koolstofverbindingen die ten grondslag liggen aan biomoleculen. | | Cel III (Enzymkinetiek, Metabolisme) | Een vervolgcursus die dieper ingaat op de snelheid van enzymatische reacties en de biochemische processen die plaatsvinden in cellen. | | Waterstofbrug | Een zwakke, niet-covalente interactie die ontstaat door de aantrekking tussen een waterstofatoom gebonden aan een elektronegatief atoom (donor) en een ander elektronegatief atoom (acceptor). | | Dipoolmoment | Een maat voor de polariteit van een molecuul, resulterend uit een ongelijke verdeling van elektrische lading, zoals bij watermoleculen. | | Ionaire binding | Een sterke, niet-covalente interactie die ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen positief en negatief geladen ionen, veroorzaakt door een groot verschil in elektronegativiteit. | | Diëlektriciteitsconstante | Een eigenschap van een materiaal die aangeeft hoe goed het een elektrisch veld kan verzwakken, wat invloed heeft op de sterkte van ionaire interacties, met water als een hoogwaardig diëlektricum. | | Van der Waals interactie | Een zwakke, kortwerkende intermoleculaire kracht die ontstaat door tijdelijke dipolen in niet-polaire moleculen, belangrijk voor de stabilisatie van moleculaire structuren. | | Hydrofoob effect | De neiging van niet-polaire moleculen om zich te aggregeren in een waterige oplossing, een drijvende kracht achter de opvouwing van eiwitten en de vorming van celmembranen. | | Biomoleculen | Complexe moleculen die essentieel zijn voor levende organismen, zoals eiwitten, nucleïnezuren (DNA, RNA) en koolhydraten. | | Nucleotiden | De bouwstenen van nucleïnezuren (DNA en RNA), bestaande uit een suiker, een fosfaatgroep en een stikstofbase. | | Transcriptiefactoren | Eiwitten die de transcriptie van genetische informatie van DNA naar RNA reguleren door te binden aan specifieke DNA-sequenties. |