1. inleiding en enzymologie v2025 (2).pdf

# Chemische bouwstenen en hun eigenschappen Dit onderwerp verkent de fundamentele atomen die de basis vormen van organische chemie en biochemie, met hun specifieke bindingscapaciteiten en eigenschappen. ### 1.1 De essentiële atomen De belangrijkste chemische bouwstenen in organische moleculen zijn koolstof, waterstof, zuurstof, zwavel, stikstof en fosfor [4](#page=4). #### 1.1.1 Koolstof (C) Koolstof is de ruggengraat van de organische chemie. Het kan maximaal vier bindingspartners aangaan in drie verschillende configuraties: sp3, sp2 en sp orbitalen. De sp2 configuratie laat een beschikbaar p-orbitaal toe voor elektronendistributie, terwijl de sp configuratie resulteert in een lineaire oriëntatie. Koolstof heeft een "middelmatige" elektronegativiteit, wat het een veelzijdige bindingspartner maakt. De neiging van koolstof om ketens te vormen is karakteristiek voor organische chemie en leidt tot structuren zoals alkanen, alkenen, alkynen en ringstructuren [5](#page=5). #### 1.1.2 Waterstof (H) Waterstof heeft een vergelijkbare elektronegativiteit als koolstof, wat leidt tot een "neutrale" afsluiting of 'end-capping' van moleculen. Protonen (H+) spelen een cruciale rol in de bepaling van de pH en ladingen in zuren en basen. De interactie van waterstof met hetero-atomen zoals stikstof en zuurstof kan dipoolmomenten creëren [5](#page=5). #### 1.1.3 Zuurstof (O) Zuurstof is relatief sterk elektronegatief en trekt dus elektronen aan, wat leidt tot binding. Het verhoogt de polariteit van moleculen en kan, in combinatie met andere atomen, mesomere resonantie vormen, wat kenmerkend is voor organische zuren. De bindingen met zuurstof zijn vaak stabiel en essentieel voor macromolecules [6](#page=6). #### 1.1.4 Zwavel (S) Zwavel heeft een extra elektronenschil vergeleken met zuurstof. Het kan tijdelijke bindingen vormen, wat belangrijk is voor de activatie van metabole processen. Zwavel is ook een reactieve zone voor enzymatische conversie. Het sulfaat-ion (SO4^2-) vormt een grote polaire kap [6](#page=6). #### 1.1.5 Stikstof (N) Stikstof heeft een "middelmatige" elektronegativiteit en bezit één vrij elektronpaar, wat participatie in de p-wolk en elektronspreiding mogelijk maakt. Stikstof is qua grootte vergelijkbaar met koolstof en zuurstof en is een belangrijk onderdeel van macromolecules. Het opnemen van een proton door stikstof resulteert in een base en een positieve lading. Stikstof kan deelnemen aan aromaticiteit, wat bijdraagt aan stabiele bindingen [7](#page=7). #### 1.1.6 Fosfor (P) Fosfor heeft een extra elektronschil, waardoor het functioneert als een elektrondonor. De koppeling van fosfor aan zuurstof vormt het fosfaat-ion, een grote polaire molecule. Fosfor is betrokken bij energierijke bindingen en de regulatie van proteïnen via fosforylatie [7](#page=7). ### 1.2 Chemische bindingen #### 1.2.1 Ion-binding versus covalente binding Het verschil in elektronegativiteit (ENW) bepaalt het type binding. Een groot verschil in ENW, zoals tussen natrium (0,93) en chloor (3,16), resulteert in een ionbinding (delta 2,23). Een kleiner verschil, zoals tussen waterstof (2,20) en zuurstof (3,44), leidt tot een covalente binding (delta 1,22) [9](#page=9). #### 1.2.2 Vrije elektronenparen Vrije elektronenparen representeren een (lokale) negatieve lading en kunnen dienen als bindingspartners. Ze zijn betrokken bij zuur-base reacties (met name bij stikstof), dipoolinteracties en spelen een biochemische rol bij het stabiliseren van ladingen en het faciliteren van reacties [12](#page=12). #### 1.2.3 Pi-wolken en aromaticiteit Pi-wolken ontstaan in aromatische systemen door sp2-hybridisatie en de aanwezigheid van pi-orbitalen. Dit creëert een elektronenwolk waarin ladingen kunnen worden uitgesmeerd en gestabiliseerd. Dit is kenmerkend voor ringsystemen, stikstofatomen en keto-vormen in mesomere systemen. Elektron-carriers kunnen ook gebruik maken van deze aromatische systemen [13](#page=13) [73](#page=73). ### 1.3 Oxidatietrappen Oxidatietrappen volgen meestal de regels van elektronegativiteit. Koolstof en waterstof zijn doorgaans donoren, terwijl zuurstof meestal een acceptor is. Stikstof is een acceptor, maar kan makkelijk zijn vrije elektronpaar doneren. De verandering van redoxstatus van koolstof is cruciaal bij geoxideerde koolstofatomen, zoals de transformatie van een hydroxylgroep naar een keton of een enkele binding naar een dubbele binding. Co-enzymen zoals NADH, H+ en FAD/FMN zijn hierbij betrokken [11](#page=11) [72](#page=72). > **Tip:** De oxidatietrap van koolstof kan worden bepaald door rekening te houden met de elektronegativiteit van de gebonden atomen. Zuurstof wordt meestal gewaardeerd op -2, waterstof op +1, en koolstof krijgt de resterende waarde [72](#page=72). ### 1.4 Water (H2O) Water vormt ongeveer 70% van de massa in een organisme. Het bestaat uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom, waarbij zuurstof als elektronacceptor fungeert en waterstof als elektrondonor, wat resulteert in een dipoolmoment. Water heeft twee vrije elektronparen. De polariteit van water maakt de vorming van waterstofbruggen mogelijk, wat essentieel is voor de oplosbaarheid van ionen en interacties met biomoleculen. Polaire moleculen zijn hydrofiel, terwijl apolaire moleculen hydrofoob zijn [16](#page=16). ### 1.5 Interacties tussen moleculen Moleculen interageren op basis van hun polariteit [17](#page=17). * **Ion-dipool interacties:** Tussen geladen ionen en polaire moleculen [17](#page=17). * **Dipool-dipool interacties:** Tussen twee polaire moleculen [17](#page=17). * **Van der Waals interacties:** Zwakke interacties die optreden tussen apolaire moleculen [17](#page=17). Het principe "Similia Similibus Solvuntur" (gelijke lost gelijke op) is hier van toepassing: polaire stoffen lossen goed op in polaire oplosmiddelen (zoals water), en apolaire stoffen lossen goed op in apolaire oplosmiddelen [17](#page=17). ### 1.6 Zuur-base reacties #### 1.6.1 pH en concentratie De pH wordt gedefinieerd als de negatieve logaritme van de hydroniumionenconcentratie ($pH = - \log [H_3O^+]$). Een neutrale pH van 7 komt overeen met een concentratie van $10^{-7}$ mol/L [27](#page=27). #### 1.6.2 Sterke zuren en basen Sterke zuren en basen hebben een groot verschil in elektronegativiteit, wat leidt tot volledige dissociatie in ionen. Voorbeelden zijn HCl dat dissocieert in $H^+$ en $Cl^-$, en NaOH dat dissocieert in $Na^+$ en $OH^-$ [28](#page=28). #### 1.6.3 Organische zuren en basen Organische zuren en basen vertonen een beperkter verschil in elektronegativiteit, wat resulteert in een dissociatie-evenwicht met een constante pKa. De formule voor pKa is [29](#page=29): $$pK_A = -\log\left(\frac{[H^+] [A^-]}{[HA]}\right)$$ [29](#page=29). Bij een pH van 7,4 (biologische pH) verliezen zuren hun proton en krijgen een negatieve lading (bijv. R-COOH → R-COO⁻ + H⁺). Basen nemen een proton op en krijgen een positieve lading (bijv. R-NH₂ + H⁺ → R-NH₃⁺) [30](#page=30). De relatie tussen pH, pKa en de concentraties van de gedissocieerde en ongedissocieerde vorm van een zuur (of gebaseerde vorm van een base) wordt beschreven door de Henderson-Hasselbalch vergelijking: $$pH = pK_A + \log\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right)$$ [30](#page=30). > **Tip:** > * Als $pH > pK_A$, is de gedissocieerde vorm ($A^-$ of de gebaseerde vorm $B$) in overmaat [30](#page=30). > * Als $pH < pK_A$, is de ongedissocieerde vorm ($HA$ of de zure vorm $BH^+$) in overmaat [30](#page=30). ### 1.7 Vuistregels voor reacties * Vrije elektronen (of pi-elektronen) zijn noodzakelijk om te kunnen binden [25](#page=25). * Een positieve lading trekt aan, terwijl een negatieve lading wordt afgestoten of afgeeft. Reacties verlopen daarom vaak van negatieve naar positieve centra [25](#page=25). * Ladingen kunnen worden versterkt door derde partijen, zoals katalysatoren [25](#page=25). --- # Chemische bindingen en interacties Chemische bindingen en interacties zijn fundamenteel voor het begrijpen van de structuur, functie en gedrag van moleculen, met name in biologische systemen [8](#page=8). ### 2.1 Soorten chemische bindingen Chemische bindingen zijn de krachten die atomen aan elkaar binden om moleculen te vormen. De aard van deze bindingen wordt bepaald door de elektronegativiteit (ENW) van de betrokken atomen [9](#page=9). #### 2.1.1 Ionbinding Een ionbinding ontstaat wanneer het verschil in elektronegativiteit tussen twee atomen groot is (bijvoorbeeld tussen Na met ENW 0,93 en Cl met ENW 3,16, met een delta van 2,23). Hierbij draagt het atoom met de hogere elektronegativiteit elektronen over van het atoom met de lagere elektronegativiteit, wat resulteert in de vorming van ionen (positief geladen kationen en negatief geladen anionen) die elkaar aantrekken door elektrostatische krachten [9](#page=9). #### 2.1.2 Covalente binding Een covalente binding ontstaat wanneer atomen elektronen delen om een stabiele elektronenschil te bereiken. Dit gebeurt typisch wanneer het verschil in elektronegativiteit tussen de atomen kleiner is (bijvoorbeeld tussen H met ENW 2,20 en O met ENW 3,44, met een delta van 1,22) [9](#page=9). ##### 2.1.2.1 Polaire covalente binding Bij een polaire covalente binding is er een ongelijke verdeling van de gedeelde elektronen, wat resulteert in partiële positieve ($\delta+$) en partiële negatieve ($\delta-$) ladingen op de atomen. Dit creëert een dipoolmoment in het molecuul [9](#page=9). #### 2.1.3 Vrije elektronenparen Vrije elektronenparen, die aanwezig zijn op atomen zoals zuurstof en stikstof, hebben een lokale negatieve lading. Ze kunnen fungeren als bindingspartners, een rol spelen in zuur-base-reacties (met name stikstof), bijdragen aan dipoolinteracties en biochemisch belangrijk zijn voor het stabiliseren van ladingen en het faciliteren van reacties [11](#page=11) [12](#page=12). #### 2.1.4 Pi-wolken en mesomere systemen In aromatische systemen dragen sp2-gehybridiseerde atomen bij aan een pi-orbitaal, wat leidt tot een gedelokaliseerde elektronenwolk (pi-wolk). Deze delokalisatie, ook wel mesomerie genoemd, kan ladingen uitspreiden en stabiliseren. Dit is relevant in ringsystemen, bij atomen zoals stikstof, en in keto-vormen [13](#page=13). ### 2.2 Polariteit en interacties Polariteit van moleculen beïnvloedt hoe ze met elkaar en met hun omgeving interageren [15](#page=15). #### 2.2.1 Water Water is een essentieel polair molecuul dat ongeveer 70% van de massa in een organisme uitmaakt. De zuurstofatoom trekt elektronen aan, terwijl de waterstofatomen elektronen doneren, wat resulteert in een dipoolmoment. Water heeft twee vrije elektronenparen, wat bijdraagt aan zijn polariteit. De polariteit van water maakt structuurvorming mogelijk via waterstofbruggen, zorgt voor de oplosbaarheid van ionen, en faciliteert interacties met biomoleculen. Polaire moleculen worden als hydrofiel beschouwd, terwijl apolaire moleculen hydrofoob zijn [16](#page=16). #### 2.2.2 Soorten moleculaire interacties Verschillende soorten interacties houden moleculen bij elkaar [17](#page=17): * **Ion-dipool interactie:** Aantrekking tussen een ion en een polair molecuul [17](#page=17). * **Dipool-dipool interactie:** Aantrekking tussen twee polaire moleculen [17](#page=17). * **Van der Waals interactie:** Zwakke, kortdurende interacties die optreden tussen alle moleculen, zowel polair als apolair, als gevolg van tijdelijke dipolen [17](#page=17). #### 2.2.3 Relevantie van moleculaire interacties Moleculaire interacties zijn cruciaal voor biologische processen [18](#page=18): * **Celmembranen:** Stabiliseren de structuur van celmembranen, die zorgen voor compartimentalisatie en energie-regulatie. De huid, met zijn apolaire vetlaag en keratine, fungeert als een barrière tegen de omgeving [18](#page=18). * **DNA:** De dubbele helixstructuur van DNA wordt in stand gehouden door waterstofbruggen tussen de basen [18](#page=18). * **Proteïnes:** De driedimensionale structuren van proteïnes, essentieel voor hun functie, worden bepaald door diverse chemische interacties. Dit geldt ook voor enzymen, die chemische reacties faciliteren, en receptoren, die interageren met extracellulaire moleculen [18](#page=18). ### 2.3 Reactiemechanismen en vuistregels Hoewel het exact reconstrueren van alle reactiemechanismen niet altijd vereist is, helpt het bij het begrijpen van biochemische pathways [23](#page=23). #### 2.3.1 Basisreactietypen * **Nucleofiele substitutie:** Een nucleofiel (elektronenrijk) vervangt een andere groep [20](#page=20). * **Elektrofiele additie:** Een elektrofiel (elektronenarm) voegt zich toe aan een onverzadigd systeem [21](#page=21). * **Eliminatie:** Een molecuul verliest atomen of groepen, vaak leidend tot de vorming van dubbele bindingen [22](#page=22). * **Hydrolyse:** Een reactie waarbij water wordt gebruikt om een binding te verbreken [24](#page=24). #### 2.3.2 Vuistregels voor reacties * Vrije elektronen (of pi-elektronen) zijn nodig om te kunnen binden [25](#page=25). * Een positieve lading trekt aan, een negatieve lading geeft. Dit impliceert vaak een beweging van negatief naar positief [25](#page=25). * Ladingen kunnen versterkt worden door derde partijen, zoals katalysatoren [25](#page=25). ### 2.4 Enzymen en chemische interacties Enzymen maken gebruik van specifieke interacties in hun actieve centrum om substraten te binden en reacties te katalyseren [61](#page=61). #### 2.4.1 Het actieve centrum van enzymen Het actieve centrum van een enzym is geëvolueerd voor optimale binding met substraten en is goed bewaard gebleven doorheen de evolutie. Het bevat meerdere aminozuren met specifieke eigenschappen die betrokken zijn bij verschillende interacties [61](#page=61): * **Ion/dipool/Van der Waals interacties:** Deze krachten dragen bij aan de specifieke binding van het substraat [61](#page=61). * **Hydrofobe pockets:** Deze creëren een omgeving waarin apolaire substraten zich specifiek kunnen binden [61](#page=61). * **Katalytische aminozuren:** Deze aminozuren kunnen de lading van nabije groepen verhogen (bijvoorbeeld door dipool- of ioninteracties) of intermediaire producten stabiliseren, wat de activeringsenergie verlaagt en de reactie ondersteunt [61](#page=61). #### 2.4.2 Katalytische cyclus van hydrolyse Een typische hydrolyse door een enzym omvat meerdere stappen [62](#page=62): 1. **Docking:** Het substraat wordt georiënteerd in het actieve centrum door middel van zijketens, ladingen, waterstofbruggen en covalente bindingen, wat de reactie faciliteert [63](#page=63). 2. **Transitie-status:** Vorming van een instabiel enzym-substraat complex [62](#page=62). 3. **Resolutie van spanning:** Vrijgave van het eerste product [62](#page=62). 4. **Nieuwe transitie-status:** Vorming van een tweede enzym-substraat complex [62](#page=62). 5. **Resolutie van spanning:** Vrijgave van het tweede product [62](#page=62). 6. **Herhaling:** Het enzym is klaar voor de volgende cyclus [62](#page=62). Tijdens de katalyse spelen Ladingsverschuivingen en nucleofiele aanvallen een cruciale rol, vaak gemedieerd door specifieke aminozuren zoals histidine [67](#page=67) [68](#page=68) [69](#page=69) [70](#page=70). #### 2.4.3 Enzymspecificiteit De specificiteit van enzymen is afhankelijk van het nauwkeurig passen van het substraat in het actieve centrum, wat wordt bewerkstelligd door diverse chemische interacties [64](#page=64). ### 2.5 Regulatie van enzymactiviteit De activiteit van enzymen kan op verschillende manieren worden gereguleerd, vaak door interacties buiten het actieve centrum [92](#page=92). #### 2.5.1 Inhibitietypes * **Competitieve inhibitie:** Een inhibitor bindt aan het actieve centrum en concurreert met het substraat. Dit vermindert de affiniteit voor het substraat (verhoogt Km) maar beïnvloedt de maximale reactiesnelheid (Vmax) niet significant. Dit is een veelvoorkomende strategie in de geneeskunde [93](#page=93). * **Oncompetitieve inhibitie:** De inhibitor bindt aan het enzym-substraatcomplex (ESI), wat leidt tot een stabiel complex dat niet kan worden omgezet. Dit verlaagt Vmax, maar de Km kan lager worden door de stabiliteit van het ESI-complex [95](#page=95). * **Non-competitieve inhibitie:** De inhibitor bindt buiten het actieve centrum en verandert de efficiëntie van de conversie, wat leidt tot een verlaging van Vmax. De Km kan ook veranderen, maar dit is niet noodzakelijk. Allostere inhibitie valt hier vaak onder en is belangrijk voor feedbackmechanismen [96](#page=96). * **Irreversibele inhibitie:** De inhibitor bindt covalent aan het enzym, waardoor het permanent wordt geïnactiveerd. Dit wordt vaak toegepast in farmacologie (bv. aspirine) [98](#page=98). #### 2.5.2 Allostere interacties Allostere interacties vinden plaats buiten het actieve centrum en kunnen zowel inhiberend als activerend zijn [99](#page=99). * **Homotroop effect:** Gereguleerd door het substraat zelf of een product van de reactie [99](#page=99). * **Heterotroop effect:** Gereguleerd door een molecuul dat niet direct gerelateerd is aan het substraat, vaak een eindproduct uit een metabole pathway (negatieve feedback) [99](#page=99). * **Coöperatie:** De aanwezigheid van een allosterisch effect kan de activiteit van andere bindingsplaatsen beïnvloeden, wat wordt gekwantificeerd met de Hill-coëfficiënt [99](#page=99). Het enzym Aspartaat TransCarbamoylase (ATCase) is een klassiek voorbeeld van een allosterisch enzym dat de pyrimidinebiosynthese reguleert [100](#page=100). #### 2.5.3 Andere mechanismen voor enzymregulatie * **Substraat- en productconcentratie:** Gereguleerd volgens de Michaëlis-Menten kinetiek . * **Covalente modificatie:** Fosforylatie is een veelvoorkomende modificatie die de structuur en activiteit van enzymen significant kan veranderen. De fosfaatgroep is geïoniseerd en geladen, wat leidt tot structuurveranderingen . * **Proteolytische activatie:** Inactieve enzymen (pro-enzymen) worden geactiveerd door het afsplitsen van een peptideketen, wat leidt tot snelle amplificatie van activiteit, zoals in de bloedstolling en spijsvertering . * **Genexpressie:** De hoeveelheid actieve enzymen kan worden gereguleerd door de expressie van genen te verhogen of te verlagen, wat invloed heeft op de transcriptie en translatie van mRNA. Dit mechanisme is relevant voor de activiteit van cytochroom P450 enzymen en de respons op medicatie . --- # Zuren, basen en pH Dit onderwerp behandelt de fundamentele concepten van zuren en basen, de pH-schaal, en hun gedrag in biochemische contexten, inclusief de rol van de pKA-waarde en dissociatie-evenwichten. ### 3.1 Definities en principes van zuren en basen Zuren en basen zijn chemische stoffen die gedefinieerd worden door hun eigenschappen met betrekking tot protonen (H⁺) en hydroxide-ionen (OH⁻) [27](#page=27). #### 3.1.1 Sterke zuren en basen Sterke zuren en basen worden gekenmerkt door een groot verschil in elektronegativiteit, wat leidt tot volledige dissociatie in ionen wanneer ze in water worden opgelost. Voorbeelden hiervan zijn [28](#page=28): * **HCl (Zuur):** dissocieert volledig in H⁺ en Cl⁻ [28](#page=28). * **NaOH (Base):** dissocieert volledig in Na⁺ en OH⁻ [28](#page=28). #### 3.1.2 Organische zuren en basen Organische zuren en basen vertonen een beperkter verschil in elektronegativiteit, wat resulteert in een dissociatie-evenwicht in plaats van volledige dissociatie. Dit evenwicht wordt gekenmerkt door de pKA-waarde [29](#page=29). * **Algemene vorm organisch zuur:** R-COOH ⇌ R-COO⁻ + H⁺ [29](#page=29). * **Algemene vorm organische base:** R-NH₂ + H⁺ ⇌ R-NH₃⁺ [30](#page=30). ### 3.2 De pH-schaal en pKA-waarde De pH-schaal is een maat voor de zuurgraad van een oplossing, gedefinieerd door de concentratie van hydroniumionen (H₃O⁺) [27](#page=27). * **Formule pH:** $pH = -\log[H_3O^+]$ [27](#page=27). * **Neutrale pH:** Bij een pH van 7 is de concentratie H₃O⁺ $10^{-7}$ mol/L [27](#page=27). De pKA-waarde is een specifieke maat voor de sterkte van een zuur, die het punt aangeeft waarop een zuur voor 50% gedissocieerd is. Het is de negatieve logaritme van de zuurconstante ($K_a$) [29](#page=29). * **Formule pKA:** $$pKA = -\log\left(\frac{[H^+][A^-]}{[HA]}\right)$$ [29](#page=29). #### 3.2.1 Relatie tussen pH en pKA De relatie tussen de pH van een oplossing en de pKA van een stof bepaalt de dissociatietoestand van die stof [30](#page=30). * **Henderson-Hasselbalch-vergelijking (afgeleid):** $log\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right) = pH - pKA$ [30](#page=30). $\frac{[A^-]}{[HA]} = 10^{(pH - pKA)}$ [30](#page=30). * **Interpretatie:** * Als $pH > pKA$: De stof is voornamelijk aanwezig in de gedeprotoneerde vorm ([A⁻] of de neutrale base B) [30](#page=30). * Als $pH < pKA$: De stof is voornamelijk aanwezig in de geprotoneerde vorm ([HA of BH⁺) [30](#page=30). #### 3.2.2 Zuur-base gedrag bij fysiologische pH (pH 7,4) Bij een pH van ongeveer 7,4, zoals in biologische systemen: * **Zuren:** Verliezen hun proton en verkrijgen een negatieve lading. Bijvoorbeeld, een organisch zuur met een pKA van 4-5 zal bij pH 7,4 volledig gedeprotoneerd zijn [30](#page=30) [68](#page=68). * **Basen:** Nemen een proton op en verkrijgen een positieve lading. Een terminaal amine met een pKA van 11 zal bij pH 7,4 voornamelijk in de geprotoneerde (positief geladen) vorm aanwezig zijn. Een aromatisch amine met een pKA van 6 zal bij pH 7,4 ook grotendeels geprotoneerd zijn [30](#page=30) [68](#page=68). > **Tip:** Begrijpen hoe de pH-waarde van de omgeving zich verhoudt tot de pKA-waarde van een molecuul is cruciaal om te voorspellen of het molecuul geladen of neutraal zal zijn, wat essentieel is voor interacties in biologische systemen. ### 3.3 Zuur-base reacties in biochemische contexten Zuur-base reacties spelen een fundamentele rol in veel biochemische processen, zoals enzymatische reacties waarbij protonoverdrachten plaatsvinden [68](#page=68). #### 3.3.1 Voorbeeld van een enzymatische reactie In een enzymatische reactie kan een hydroxyl anion (een sterke base) een negatieve lading terugduwen, waardoor een zwakkere binding (N-C binding) breekt. Dit kan leiden tot de vorming van een vrij amineproduct. Een aminozuurrest zoals Histidine-57 (His 57) kan hierbij fungeren als mediator door een proton op te nemen, waarbij de negatieve lading wordt overgedragen aan een andere rest, zoals Aspartaat-102 (Asp 102). Deze ladingsverschuivingen volgen de principes van zuur-base reacties [68](#page=68). > **Voorbeeld:** De katalytische cyclus van veel enzymen omvat stappen waarbij protonen worden opgenomen of afgestaan, wat direct afhankelijk is van de zuur-base eigenschappen van aminozuurresiduen in het actieve centrum en de pH van de omgeving. **Overzicht pKA-waarden:** * Terminaal amine: pKA ~11 [68](#page=68). * Aromatisch amine: pKA ~6 [68](#page=68). * Organisch zuur: pKA ~4-5 [68](#page=68). --- # Biochemie, homeostase en metabole processen Dit gedeelte introduceert de fundamentele concepten van biochemie, de essentie van homeostase, de bouwstenen van leven (biomoleculen) en de dynamische chemische processen die metabolisme en levensfuncties mogelijk maken. ## 4. Biochemie, homeostase en metabole processen Biochemie is de studie van de chemische processen die plaatsvinden binnen levende organismen. Het centrale concept binnen de biochemie is het 'milieu intérieur', een strikt gecontroleerde, geïntegreerde en endogene omgeving die in balans wordt gehouden met de buitenwereld. Levende organismen zijn open systemen die continu interageren met hun omgeving door de opname van voeding en zuurstof, uitwisseling van water, en de excretie van afvalstoffen [37](#page=37) [38](#page=38). ### 4.1 Homeostase: het behoud van orde Homeostase is een cruciaal biochemisch principe dat het behoud van orde en de status quo binnen levende systemen beschrijft. Dit wordt bereikt door fluctuaties binnen nauwe grenzen te houden, wat in schril contrast staat met de externe omgeving. Homeostase is het resultaat van een netto balans van intense dynamische processen [39](#page=39). Voorbeelden van homeostatische regulatie omvatten: * Bloeddruk [39](#page=39). * Lichaamstemperatuur [39](#page=39). * Waterhuishouding (osmotische balans), waarbij stoornissen kunnen leiden tot uitdroging of waterintoxicatie [39](#page=39). * pH-waarde (rond 7,4), waarbij afwijkingen leiden tot acidose of alkalose [39](#page=39). * Glycemie (bloedsuikerspiegel), met de risico's van hypo- of hyperglycemie (zoals bij diabetes) [39](#page=39). * Hormonale evenwichten, waarvan verstoringen pathologische toestanden kunnen veroorzaken (zoals thyrotoxicose) [39](#page=39). Het woord homeostase is afgeleid van het Griekse 'homoios' (gelijk) en 'stasis' (stilstand) [39](#page=39). #### 4.1.1 Relevantie van biochemie voor gezondheid De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) definieert gezondheid als complete fysieke, mentale en sociale welgesteldheid, en niet slechts de afwezigheid van ziekte of invaliditeit. Ziekte wordt in biochemische termen gezien als een verstoring van de balans of homeostase, waarbij nauw gebalanceerde processen ontregeld zijn. Biochemie is de wetenschap die de processen achter deze balans bestudeert en biedt inzicht in de diagnose en behandeling van ziekten, waarvan vele een biochemisch aspect hebben [40](#page=40). ### 4.2 Biomoleculen: de bouwstenen van leven Biomoleculen vormen de fundamentele bouwstenen van levende cellen en kunnen worden onderverdeeld in micromoleculen en macromoleculen [44](#page=44). * **Micromoleculen:** * Water [44](#page=44). * Ionen [44](#page=44). * Aminozuren [44](#page=44). * Organische zuren [44](#page=44). * Koolhydraten (kleine) [44](#page=44). * Baseparen [44](#page=44). * **Macromoleculen:** * Koolhydraten [44](#page=44). * Lipiden [44](#page=44). * Eiwitten [44](#page=44). * Nucleïnezuren [44](#page=44). Deze macromoleculen ontstaan door polymerisatie van een beperkt aantal bouwstenen en zijn evolutionair oud, terug te vinden in alle levende cellen op aarde [44](#page=44). ### 4.3 Metabole processen: chemische transformaties voor leven Metabole processen omvatten de chemische reacties die plaatsvinden in levende organismen voor de conversie van grondstoffen uit de omgeving naar essentiële bouwstenen voor groei, reproductie en homeostase. Deze processen vereisen energie, vaak in de vorm van ATP, en reducerend vermogen (bijvoorbeeld NADH,H+) [43](#page=43). #### 4.3.1 Biochemische pathways Biochemische pathways zijn reeksen van chemische reacties die elkaar opvolgen om specifieke moleculen om te zetten. Ze faciliteren de transformatie van bijvoorbeeld suikers, aminozuren, cholesterol & lipiden, en nucleïnezuren. Bekende pathways zijn de Krebs-cyclus en oxidatieve fosforylatie [42](#page=42). > **Tip:** Het begrijpen van deze pathways is essentieel voor het verklaren van metabole aandoeningen [45](#page=45). #### 4.3.2 Basismodel van een biochemische pathway en metabole aandoeningen Een basismodel van een biochemische pathway illustreert hoe verstoringen kunnen leiden tot metabole aandoeningen [45](#page=45). **Voorbeeld: Fenylketonurie (PKU)** Fenylketonurie is een klassiek voorbeeld van een metabole aandoening die voortkomt uit een tekort en toxiciteit. Het wordt veroorzaakt door een deficiëntie in het enzym fenylalanine hydroxylase. Dit leidt tot [46](#page=46): * Tekort aan tyrosine [46](#page=46). * Verstoorde proteïnesynthese [46](#page=46). * Verlaagde niveaus van neurotransmitters [46](#page=46). * Verlaagde productie van thyroxine [46](#page=46). * Verlaagd melanine [46](#page=46). * Stapeling van fenylalanine [46](#page=46). * Vorming van neurotoxische metabolieten [46](#page=46). Dit kan resulteren in permanente hersenschade, epilepsie, mentale retardatie en psychiatrische problematiek [46](#page=46). ### 4.4 Enzymen: katalysatoren van biochemische reacties Enzymen zijn eiwitten die specifieke biochemische reacties katalyseren door de activeringsenergie te verlagen. Ze spelen een cruciale rol in metabole processen [74](#page=74). #### 4.4.1 Enzymklassen De officiële naamgeving van enzymen volgt een indeling in zes klassen, gebaseerd op de door hen gekatalyseerde reactie: 1. **Oxidoreductasen:** Katalyseren oxidatie- en reductiereacties. Essentieel voor oxidatieve fosforylatie [74](#page=74). 2. **Transferasen:** Verhogen de snelheid van reacties waarbij een functionele groep (bijvoorbeeld een fosfaatgroep of een acylgroep) van het ene naar het andere molecuul wordt overgedragen. Vaak is deze groep gekoppeld aan een reactieve drager zoals CoA. Een specifiek voorbeeld is een kinase, dat een fosfaatgroep van ATP op een doelwitmolecuul overzet [75](#page=75). 3. **Hydrolasen:** Katalyseren de splitsing van moleculen door het gebruik van water. Water stabiliseert de gesplitste moleculen tot R1-OH en R2-H. Een voorbeeld is lipase, dat triacylglycerol splitst in glycerol en vrije vetzuren [76](#page=76). 4. **Lyasen:** Katalyseren de splitsing van moleculen zonder de consumptie van water, waarbij de oxidatietrap van het molecuul in principe niet sterk verandert. Dit kan bijvoorbeeld de aanmaak van neurotransmitters uit aminozuren betreffen [77](#page=77). 5. **Isomerasen:** Katalyseren de omvorming van een molecuul in een isomeer (een molecuul met dezelfde atomaire samenstelling maar een andere ruimtelijke structuur). Dit gebeurt vaak via oxidatieve transitievormen. Een voorbeeld is fosfohexose isomerase, dat glucose-6-fosfaat omzet in fructose-6-fosfaat [79](#page=79). 6. **Ligasen:** Katalyseren de combinatie van twee moleculen met de vorming van een nieuwe binding (C-O, C-N, C-S, of C-C). Dit zijn endergone reacties die meestal worden aangedreven door de hydrolyse van ATP. Pyruvaat carboxylase in de gluconeogenese is een voorbeeld [78](#page=78). #### 4.4.2 Induced fit mechanisme Het 'induced fit' model beschrijft hoe enzymen (zoals hexokinase) hun actieve site aanpassen wanneer het substraat bindt, wat leidt tot een verhoogde efficiëntie. Bij de eerste stap van de glycolyse activeert hexokinase glucose door fosforylatie naar glucose-6-fosfaat. Deze endergone reactie haalt energie uit de hydrolyse van ATP. Het induced fit mechanisme voorkomt dat ATP direct wordt gehydrolyseerd door water, waardoor de efficiëntie van de glucose-activatie verhoogd wordt [81](#page=81). > **Voorbeeld:** De reactie van glucose met ATP gekatalyseerd door hexokinase: > $$ \text{Glucose} + \text{ATP} \xrightarrow{\text{Hexokinase (actief)}} \text{Glucose-6-fosfaat} + \text{ADP} $$ > Het induced fit mechanisme zorgt ervoor dat hexokinase alleen actief is in de aanwezigheid van glucose, wat voorkomt dat ATP onnodig wordt gehydrolyseerd [81](#page=81). #### 4.4.3 Relevantie van enzymactiviteit en cofactoren De activiteit van enzymen kan beïnvloed worden door de aanwezigheid van cofactoren, zoals vitaminen. **Voorbeeld: AST en ALT en Vitamine B6** Aminotransferasen zoals AST (aspartaataminotransferase) en ALT (alaninetransaminase) zijn belangrijke merkers voor leverschade. Vitamine B6 (in de vorm van pyridoxalfosfaat) is een essentiële cofactor voor deze enzymen. Het al dan niet aanwezig zijn van pyridoxalfosfaat in het reagens kan leiden tot verschillende uitkomsten voor hetzelfde staal. Pyridoxal, de actieve vorm van vitamine B6, is ruim aanwezig in voedingsmiddelen zoals vlees, noten, eieren, bonen en groenten. Ondervoeding of leveraandoeningen zoals cirrose kunnen de vitamine B6-status beïnvloeden en daarmee de gemeten enzymactiviteit [83](#page=83). --- # Enzymologie en enzymregulatie Dit onderwerp behandelt de structuur, functie, kinetiek en verschillende vormen van regulatie van enzymen, inclusief competitieve en non-competitieve inhibitie, allostere interacties en de rol van cofactoren [47](#page=47). ### 5.1 Basisprincipes van chemische reacties en energie #### 5.1.1 Gibbs vrije energie en reactiesnelheid Chemische reacties worden gestuurd door de verandering in Gibbs vrije energie ($\Delta G$). Een negatieve $\Delta G$ duidt op een spontane, exergone reactie met netto energieverlies, terwijl een positieve $\Delta G$ wijst op een niet-spontane, endergone reactie die energie vereist. Een $\Delta G$ van nul betekent dat het systeem zich in evenwicht bevindt tussen substraat en product. De relatie tussen de standaard Gibbs vrije energie en de evenwichtsconstante ($K_{eq}$) wordt gegeven door $\Delta G^0 = -RT\ln K_{eq}$ [48](#page=48) [49](#page=49). #### 5.1.2 Energie in verbindingen Biosynthese vereist energie, en paden kunnen energiebarrières hebben. Opbouwen kost meer energie dan afbreken. Hoog-energetische verbindingen, zoals tussenproducten in metabole paden, zijn reactief en geven energie vrij bij hydrolyse. Laag-energetische producten geven beperkte energie vrij en zijn metabolisch veelzijdig [51](#page=51). #### 5.1.3 Katalyse van endergone reacties Enzymen faciliteren de conversie van substraten naar producten. Ze versnellen spontaan exergone reacties door de activeringsenergie te verlagen. Enzymen kunnen ook endergone reacties faciliteren door deze te koppelen aan exergone reacties, waarbij de energie uit de exergone reactie de endergone reactie voedt [52](#page=52) [57](#page=57). #### 5.1.4 Adenosine Trifosfaat (ATP) ATP is de universele energiedrager in de cel. Het bevat hoog-energetische fosfaatbindingen die bij hydrolyse energie vrijgeven. Deze energie wordt gebruikt voor endergone reacties, zoals biosynthese, en voor mechanische arbeid en transportprocessen. De hydrolyse van ATP naar ADP en fosfaat, gekoppeld aan een endergone reactie, laat netto energie vrij, wat energetische koppeling wordt genoemd (#page=53, 54). Een voorbeeld is de fosforylatie van glucose tot glucose-6-fosfaat [53](#page=53) [54](#page=54). ### 5.2 Enzymen: structuur en functie #### 5.2.1 Kenmerken van enzymen Enzymen zijn biologische katalysatoren die de snelheid van biochemische reacties verhogen zonder zelf verbruikt te worden. Ze zijn zeer specifiek voor hun substraten en hebben hun eigen reactiesnelheid, die wordt uitgedrukt in Internationale Eenheden (IU, $\mu$mol/min) onder gestandaardiseerde omstandigheden. De activiteit van een enzym is afhankelijk van omgevingsfactoren zoals temperatuur, pH, en de aanwezigheid van cofactoren en inhibitoren. Fysiologisch is de pH meestal tussen 6,8 en 7,4 voor de meeste eiwitten [57](#page=57) [58](#page=58). #### 5.2.2 Het actief centrum Het actief centrum van een enzym is de specifieke regio waar het substraat bindt en de katalyse plaatsvindt. Dit centrum is geëvolueerd voor optimale substraatbinding en is geconserveerd door de evolutie. Het bevat meerdere aminozuren met specifieke eigenschappen die ionische, dipool, Vanderwaals en hydrofobe interacties aangaan met het substraat. Katalytische aminozuren verhogen de lading en stabiliseren intermediaire producten, wat de reactie ondersteunt [61](#page=61). #### 5.2.3 Katalytische mechanismen De katalyse door enzymen omvat verschillende stappen, beginnend met het 'docken' van het substraat in het actieve centrum (#page=62, 63). Dit leidt tot een instabiele transitietoestand, gevolgd door de resolutie van spanning en de vrijgave van producten (#page=62, 68, 70). Katalytische aminozuren, zoals serine, histidine en aspartaat, spelen cruciale rollen in het faciliteren van reacties door ladingsverschuivingen en nucleofiele aanvallen (#page=67, 68, 69, 70). De oriëntatie van het substraat en de specifieke zijketens van aminozuren zijn essentieel voor de efficiëntie van de reactie [62](#page=62) [63](#page=63) [67](#page=67) [68](#page=68) [69](#page=69) [70](#page=70). #### 5.2.4 Homologen en iso-enzymen Homologe enzymen hebben een vergelijkbare werking en evolutie, terwijl iso-enzymen functioneel vergelijkbare enzymen zijn die in verschillende weefsels of celtypes voorkomen en organen-specifiek kunnen zijn (#page=65, 66). Voorbeelden hiervan zijn lactaat dehydrogenase (LDH) en creatine kinase (CK), waarvan de isovormen diagnostische meerwaarde hebben bij het inschatten van weefselschade (#page=65, 66). Glucose-transporters en amylase zijn andere voorbeelden van enzymen met diverse isovormen [65](#page=65) [66](#page=66). #### 5.2.5 Enzymklassen Enzymen worden geclassificeerd op basis van hun reactietype [71](#page=71): * **Oxidoreductasen**: Katalyseren redoxreacties, waarbij oxidatiestaten van koolstofatomen veranderen. Co-enzymen zoals NADH en FADH$_2$ zijn vaak betrokken [72](#page=72). * **Transferasen**: Verhogen de overdracht van een functionele groep van een donor naar een acceptor. Kinases, die fosfaatgroepen overzetten, zijn hier een voorbeeld van [75](#page=75). * **Hydrolasen**: Splitsen moleculen door toevoeging van water. Lipasen, die triacylglycerolen splitsen, vallen onder deze categorie [76](#page=76). * **Lyasen**: Katalyseren de splitsing van moleculen zonder gebruik van water, wat kan leiden tot de vorming van dubbele bindingen of cyclische structuren [77](#page=77). * **Ligasen**: Combineren twee moleculen onder vorming van een nieuwe binding, vaak ten koste van ATP-hydrolyse. Pyruvaat carboxylase is een voorbeeld [78](#page=78). * **Isomerasen**: Faciliteren de omzetting van een isomeer naar een ander isomeer. Phosphohexose isomerase is een bekend voorbeeld [79](#page=79). #### 5.2.6 Dynamische aard van enzymen Enzymen zijn dynamische moleculen; hun conformatie kan veranderen bij substraatbinding, wat het 'induced fit' mechanisme wordt genoemd (#page=80, 81). Dit mechanisme verhoogt de efficiëntie en voorkomt ongewenste reacties, zoals de hydrolyse van ATP [80](#page=80) [81](#page=81). ### 5.3 Cofactoren en co-enzymen #### 5.3.1 Rollen en types Cofactoren zijn cruciale componenten voor de katalytische activiteit van veel enzymen [82](#page=82). * **Cofactoren**: Anorganische moleculen, vaak metaalionen, die helpen bij de katalyse door substraten te oriënteren of reactieve partners te bieden. Metallo-enzymen bevatten metaalionen als essentieel onderdeel [82](#page=82). * **Co-enzymen**: Organische moleculen die een shuttlefunctie hebben, bijvoorbeeld bij het transport van elektronen. Ze kunnen tijdelijk (cosubstraat) of permanent (prosthetische groep) gebonden zijn aan het enzym [82](#page=82). #### 5.3.2 Klinische relevantie Vitamine B6, in de vorm van pyridoxalfosfaat, is een belangrijke cofactor voor AST en ALT, enzymen die worden gebruikt als merkers voor leverschade. De aanwezigheid van pyridoxalfosfaat beïnvloedt de uitkomst van enzymatische metingen [83](#page=83). ### 5.4 Enzymkinetiek #### 5.4.1 Beschrijven van enzymactiviteit De snelheid van een enzymatische reactie wordt beïnvloed door de activatie-energie, de hoeveelheid enzym, de substraatconcentratie en omgevingscondities. Het Michaelis-Menten model beschrijft de relatie tussen de reactiesnelheid ($v$) en de substraatconcentratie ($[S]$) [85](#page=85) [87](#page=87). #### 5.4.2 Het Michaelis-Menten model De kern van het model is de vergelijking: $$v = \frac{v_{\text{max}} [S]}{K_m + [S]}$$ waarbij: * $v_{\text{max}}$ de maximale reactiesnelheid is bij verzadiging van het enzym met substraat [87](#page=87). * $K_m$ de Michaelis-constante is, gedefinieerd als de substraatconcentratie waarbij de reactiesnelheid half zo groot is als $v_{\text{max}}$. Een lage $K_m$ duidt op een hoge affiniteit van het enzym voor het substraat, terwijl een hoge $K_m$ duidt op een lage affiniteit [87](#page=87) [88](#page=88). #### 5.4.3 Afleidingen en scenario's * Bij lage substraatconcentraties ($[S \ll K_m$) is de reactiesnelheid $v \approx \frac{v_{\text{max}}}{K_m} [S]$ [90](#page=90). * Bij substraatconcentraties gelijk aan $K_m$ is de reactiesnelheid $v = \frac{1}{2} v_{\text{max}}$ [90](#page=90). * Bij hoge substraatconcentraties ($[S \gg K_m$) is de reactiesnelheid $v \approx v_{\text{max}}$ [90](#page=90). #### 5.4.4 Praktische toepassingen Enzymmetingen, zoals die van lactaat dehydrogenase (LDH), gebruiken de principe dat de snelheid van substraatomzetting direct gerelateerd is aan de hoeveelheid enzym bij saturante substraatconcentraties. De activiteit wordt vaak uitgedrukt in IU/mL [91](#page=91). #### 5.4.5 Alternatieve modellen Voor nauwkeurigere analyse, vooral wanneer $K_m$ niet accuraat kan worden bepaald uit de $v_{\text{max}}$, worden transformatiemodellen zoals de Lineweaver-Burk plot en Eadie-Hofstee conversies gebruikt [89](#page=89). ### 5.5 Enzymregulatie Enzymactiviteit kan op verschillende manieren worden gereguleerd om metabole paden te sturen en homeostase te handhaven . #### 5.5.1 Inhibitie Inhibitoren verminderen of blokkeren de activiteit van enzymen [93](#page=93). * **Competitieve inhibitie**: De inhibitor bindt aan het actieve centrum en concurreert met het substraat. Dit verhoogt de $K_m$ maar beïnvloedt $v_{\text{max}}$ niet. Een klinisch voorbeeld is het gebruik van ethanol als antidotum bij methanolvergiftiging; ethanol concurreert met methanol voor alcohol dehydrogenase [93](#page=93) [94](#page=94). * **Oncompetitieve inhibitie**: De inhibitor bindt aan het enzym-substraatcomplex (ESI) en verlaagt $v_{\text{max}}$. De $K_m$ kan ook lager worden. Fenylalanine en alkalische fosfatase zijn een voorbeeld van negatieve feedback in deze categorie [95](#page=95). * **Non-competitieve inhibitie**: De inhibitor bindt buiten het actieve centrum, wat de efficiëntie van de conversie beïnvloedt. Dit verlaagt meestal $v_{\text{max}}$, maar de invloed op $K_m$ is niet altijd aanwezig. Allostere inhibitie is een vorm van non-competitieve interactie [96](#page=96). * **Irreversibele inhibitie**: De inhibitor bindt covalent of met zeer hoge affiniteit aan het enzym, wat leidt tot permanente inactivatie. Voorbeelden zijn bèta-lactam antibiotica, aspirine en zware metalen [98](#page=98). #### 5.5.2 Allostere interacties Allostere interacties treden op wanneer een molecule buiten het actieve centrum bindt en de enzymactiviteit reguleert, zowel activerend als inhiberend [99](#page=99). * **Homotrope effecten**: Het substraat zelf beïnvloedt de affiniteit van het enzym voor verdere substraatmoleculen [99](#page=99). * **Heterotrope effecten**: Moleculen die niet direct gerelateerd zijn aan het substraat, vaak eindproducten van metabole paden, oefenen invloed uit [99](#page=99). * **Coöperatie**: De binding van een molecule kan de affiniteit voor andere moleculen verhogen of verlagen, wat wordt beschreven met de Hill-coëfficiënt [99](#page=99). Aspartaat transcarbamoylase (ATCase) is een voorbeeld van een allosterisch enzym dat betrokken is bij de pyrimidinebiosynthese. Het wordt geactiveerd door aspartaat (homotroop) en ATP (heterotroop), en geïnhibeerd door GTP (heterotroop) [100](#page=100). #### 5.5.3 Mechanisms voor enzymregulatie Verschillende mechanismen reguleren enzymactiviteit: * **Substraatconcentratie**: Gereguleerd via het Michaelis-Menten kinetiek [87](#page=87). * **Productconcentratie**: Opstapeling van product kan de reactie vertragen (feedbackinhibitie) . * **Allosterie**: Sturing door moleculen buiten het actieve centrum [99](#page=99). * **Covalente modificatie**: Fosforylatie is een veelvoorkomende modificatie die de structuur en activiteit van enzymen verandert. Het treedt op op hydroxylgroepen van threonine, serine en tyrosine . * **Proteolytische activatie**: Inactieve pro-enzymen worden geactiveerd door specifieke proteases, vaak in cascade-systemen zoals bloedstolling en spijsvertering . * **Genexpressie**: Regulatie van de aanmaak van enzymen op genniveau door transcriptie en translatie. Langdurige blootstelling aan bepaalde stoffen kan de genexpressie van enzymen, zoals cytochroom P450, verhogen, wat leidt tot versnelde medicatieklaring . --- ## 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 | |------|------------| | Koolstof | Een chemisch element met atoomnummer 6, dat de ruggengraat vormt van organische verbindingen en vier bindingspartners kan aangaan in verschillende configuraties (sp3, sp2, sp). Het heeft een middelmatige elektronegativiteit en vormt gemakkelijk ketens. | | Waterstof | Een chemisch element met atoomnummer 1, dat vaak als elektrondonor fungeert en kan helpen bij het afsluiten van ketens. Het vormt waterstofbruggen en is cruciaal voor pH en ladingen. | | Zuurstof | Een chemisch element met atoomnummer 8, dat sterk elektronegatief is en als elektronacceptor fungeert, wat de polariteit van bindingen verhoogt. Het is een essentieel onderdeel van macromolecules en kan mesomere resonantie faciliteren. | | Zwavel | Een chemisch element met een extra elektronenschil, dat tijdelijke bindingen kan vormen en dient als reactieve zone voor metabolische processen en enzymatische conversies. Het sulfaation vormt een grote polaire kap. | | Stikstof | Een chemisch element met een middelmatige elektronegativiteit, dat een vrij elektronpaar heeft en deel kan uitmaken van macromolecules. Het kan protonen opnemen (basisch) en is betrokken bij aromaticiteit. | | Fosfor | Een chemisch element met een extra elektronenschil, dat als elektrondonor fungeert. Het fosfaation is een grote polaire molecule en fosfor is cruciaal voor energierijke bindingen en proteïneregulatie via fosforylatie. | | Ionbinding | Een chemische binding die ontstaat door de elektrostatische aantrekking tussen tegengesteld geladen ionen, gevormd wanneer het verschil in elektronegativiteit tussen twee atomen groot is. | | Covalente binding | Een chemische binding waarbij atomen elektronen delen om een stabiele elektronenschil te bereiken. Dit gebeurt wanneer het verschil in elektronegativiteit tussen de atomen relatief klein is. | | Elektronegativiteit (ENW) | De maat voor de neiging van een atoom om elektronen aan te trekken in een chemische binding. Een groter verschil in ENW tussen twee atomen leidt tot een meer polaire binding. | | Dipoolmoment | Een maat voor de polariteit van een molecule, veroorzaakt door de ongelijke verdeling van elektronen. Dit ontstaat wanneer een molecule polaire bindingen bevat en een asymmetrische structuur heeft. | | Vrije elektronenparen | Paren van valentie-elektronen die niet worden gebruikt in chemische bindingen. Ze kunnen lokale negatieve ladingen creëren en zijn betrokken bij zuur-base-reacties en dipoolinteracties. | | Pi-wolken | Een gebied van verhoogde elektrondichtheid boven en onder het vlak van een sigma-binding, vaak geassocieerd met dubbele of drievoudige bindingen en aromatische systemen. Ze dragen bij aan de stabiliteit van ladingen. | | Mesomere systemen | Systemen met gedelokaliseerde pi-elektronen die zich over meerdere atomen kunnen verspreiden, zoals in dubbele bindingen en aromatische ringen. Dit zorgt voor extra stabiliteit. | | Polariteit | De mate waarin ladingen binnen een molecule ongelijk verdeeld zijn, resulterend in gedeeltelijke positieve en negatieve ladingen. Polaire molecules lossen goed op in polaire oplosmiddelen zoals water. | | Waterstofbrug | Een zwakke aantrekkingskracht tussen een waterstofatoom dat gebonden is aan een sterk elektronegatief atoom (zoals zuurstof of stikstof) en een ander sterk elektronegatief atoom in de buurt. | | Hydrofiel | Letterlijk 'waterminnend'. Moleculen die polair zijn en goed oplossen in water en andere polaire oplosmiddelen. | | Hydrofoob | Letterlijk 'watervrezend'. Moleculen die apolair zijn en slecht oplossen in water, maar goed in apolaire oplosmiddelen. | | Ion-dipool interactie | De aantrekkingskracht tussen een ion en een polaire molecule. Dit type interactie is belangrijk voor het oplossen van zouten in water. | | Dipool-dipool interactie | De aantrekkingskracht tussen twee polaire moleculen, waarbij de positieve pool van de ene molecule wordt aangetrokken door de negatieve pool van de andere. | | Van der Waals interactie | Zwakke, kortstondige intermoleculaire krachten die ontstaan door tijdelijke fluctuaties in de elektronendichtheid van moleculen. | | Nucleofiele substitutie | Een reactietype waarbij een nucleofiel (een elektronrijk deeltje) een ander deeltje (de vertrekkende groep) vervangt in een molecuul. | | Elektrofiele additie | Een reactietype waarbij een elektrofiel (een elektronarm deeltje) zich bindt aan een meervoudige binding (zoals een dubbele of drievoudige binding) in een molecule. | | Eliminatie | Een reactietype waarbij atomen of groepen uit een molecule worden verwijderd, wat vaak leidt tot de vorming van een dubbele of drievoudige binding. | | Hydrolyse | Een reactietype waarbij water wordt gebruikt om een chemische binding te verbreken, waarbij de molecule wordt opgesplitst in twee delen, vaak met toevoeging van een H+ en een OH-. | | Zuur | Een stof die protonen (H+) kan doneren. In de biochemie zijn zuren vaak organische moleculen met een carboxylgroep (-COOH). | | Base | Een stof die protonen (H+) kan accepteren of een vrij elektronpaar kan doneren. In de biochemie zijn basen vaak moleculen met een aminogroep (-NH2). | | pH | Een maat voor de zuurgraad of basiciteit van een oplossing, gedefinieerd als de negatieve logaritme van de waterstofionenconcentratie ($[H^+]$ of $[H_3O^+]$). | | pKA | De zuurconstante, die de sterkte van een zuur aangeeft. Het is de pH waarbij een zuur voor 50% gedissocieerd is in zijn geconjugeerde base en protonen. | | Homeostase | Het vermogen van een levend organisme om een stabiel intern milieu te handhaven, ondanks veranderingen in de externe omgeving. Dit omvat de regulatie van parameters zoals temperatuur, pH en bloeddruk. | | Biomoleculen | Moleculen die essentieel zijn voor levende organismen, waaronder koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren. Ze kunnen worden onderverdeeld in micromoleculen en macromoleculen. | | Metabole processen | De reeks chemische reacties die plaatsvinden in levende organismen om energie te produceren, essentiële moleculen op te bouwen en afvalstoffen te verwijderen. | | ATP (Adenosinetrifosfaat) | Een energierijke molecule die door alle levende cellen wordt gebruikt om energie op te slaan en over te dragen. Het is de primaire energiemunt van de cel. | | Enthalpie | Een thermodynamische functie die de totale energie-inhoud van een systeem vertegenwoordigt, inclusief de interne energie plus het product van druk en volume. | | Entropie | Een thermodynamische functie die de mate van wanorde of willekeur in een systeem weergeeft. | | Gibbs vrije energie ($\Delta G$) | Een thermodynamische functie die de hoeveelheid nuttige energie aangeeft die beschikbaar is om arbeid te verrichten. Een negatieve $\Delta G$ duidt op een spontane (exergone) reactie. | | Exergoon | Een reactie die spontaan verloopt en energie vrijgeeft ($\Delta G < 0$). | | Endergoon | Een reactie die niet spontaan verloopt en energie vereist ($\Delta G > 0$). | | Katalyse | Het proces waarbij de snelheid van een chemische reactie wordt verhoogd door een katalysator, zoals een enzym, zonder dat de katalysator zelf verbruikt wordt. | | Hoog-energetische bindingen | Chemische bindingen in moleculen die relatief veel energie bevatten en bij hydrolyse veel energie kunnen vrijgeven. ATP is een voorbeeld. | | Enzyme | Een biologische katalysator, meestal een eiwit, die de snelheid van specifieke biochemische reacties verhoogt zonder zelf verbruikt te worden. | | Actief centrum | Het specifieke deel van een enzym waar de substraatbinding en de katalyse plaatsvinden. | | Iso-enzymen | Verschillende vormen van hetzelfde enzym die verschillende combinaties van subeenheden hebben, wat kan leiden tot organ- of weefselspecifieke activiteiten. | | Cofactor | Een niet-eiwitchemische verbinding die noodzakelijk is voor de activiteit van een enzym. Dit kan een anorganisch ion zijn of een organisch molecuul. | | Co-enzym | Een organisch cofactor dat vaak betrokken is bij de overdracht van elektronen of functionele groepen tijdens een enzymatische reactie. | | Prosthetische groep | Een co-enzym dat permanent gebonden is aan het enzym. | | Enzymactiviteit | De mate waarin een enzym een substraat omzet in een product, vaak gemeten in eenheden per tijdseenheid (bijv. $\mu$mol/min). | | Km (Michaelisconstante) | Een maat voor de affiniteit van een enzym voor zijn substraat. Het is de substraatconcentratie waarbij de reactiesnelheid de helft is van de maximale snelheid ($v_{max}$). Een lage Km duidt op een hoge affiniteit. | | Vmax (Maximale snelheid) | De maximale reactiesnelheid die een enzym kan bereiken bij verzadiging met substraat. Dit is direct gerelateerd aan de concentratie van het enzym. | | Michaelis-Menten kinetiek | Een model dat de reactiesnelheid van enzymen beschrijft als functie van de substraatconcentratie, uitgaande van een enkel substraat en een reversibel enzym-substraatcomplex. | | Competitieve inhibitie | Een type enzymremming waarbij een inhibitor concurreert met het substraat voor binding aan het actieve centrum van het enzym. Dit verhoogt de effectieve Km, maar beïnvloedt Vmax niet. | | Non-competitieve inhibitie | Een type enzymremming waarbij een inhibitor bindt aan een andere plaats dan het actieve centrum, maar de katalytische activiteit van het enzym vermindert. Dit verlaagt Vmax, maar beïnvloedt Km niet. | | Oncompetitieve (uncompetitieve) inhibitie | Een type enzymremming waarbij een inhibitor bindt aan het enzym-substraatcomplex (ES), maar niet aan het vrije enzym. Dit verlaagt Vmax en Km. | | Irreversibele inhibitie | Een type enzymremming waarbij een inhibitor permanent bindt aan het enzym, waardoor het permanent geïnactiveerd wordt. | | Allosterie | Regulatie van enzymactiviteit door binding van een effector (activator of inhibitor) aan een plaats op het enzym die verschilt van het actieve centrum. Dit kan de affiniteit voor het substraat of de katalytische efficiëntie veranderen. | | Fosforylatie | De toevoeging van een fosfaatgroep aan een molecuul, vaak een eiwit. Dit is een veelvoorkomende post-translationele modificatie die de activiteit van enzymen kan reguleren. | | Proteolytische activatie | Het proces waarbij inactieve precursor-enzymen (pro-enzymen of zymogenen) worden geactiveerd door de verwijdering van een deel van hun polypeptideketen, wat leidt tot actieve enzymen. | | Genexpressie | Het proces waarbij de informatie in een gen wordt gebruikt om een functioneel product te maken, meestal een eiwit. Regulatie van genexpressie bepaalt de hoeveelheid actieve enzymen in een cel. |