Atomen en moleculen

De beschrijving van bouw en functie van cellen is mogelijk geworden door het gebruik maken van geavanceerde technieken, die ontwikkeld zijn door de wetenschap. Water is opgebouwd uit moleculen, waarvan er zich triljoenen in maar een paar centimeter bevinden. Moleculen bestaan weer uit drie kleinere eenheden van dode stof, die atomen worden genoemd. Er kunnen 92 soorten atomen van verschillende grootte (aantal protonen en elektronen) tezamen elementen genoemd worden onderscheiden. Het grootste element is uranium en het kleinste waterstof.

• Algemeen
• Materie: massa en energie
• Opbouw van atomen
• Ionen: overdracht van elektronen
• De waterstofatomen
• Waterstofbruggen
• Van der Waals kracht

Algemeen

Het begrip atoom duidt op een klein deeltje dat deel uitmaakt van de materie. Onderzoek daarna is mogelijk geworden door de ontwikkeling van scheikundige- en natuurkundige onderzoekstechnieken. Zo kan een elektronenmicroscoop een cel een miljoen keer uitvergroten. Het koppelen van bepaalde celmoleculen aan kleurstoffen maakt onopvallende structuren zichtbaar. Daarbij hebben het kweken van cellen en het experimenteren met enzymen licht geworpen op de moleculaire celprocessen. Het leven van de cel is niet langer een wonder. Het is allemaal verklaarbaar uit de eigenschappen van atomen en moleculen. Daarvoor zijn echter wel een aantal voorwaarden noodzakelijk zoals:

• de energielevering van de zon
• de aanwezigheid van water
• een klimaat waarin scheikundige processen kunnen gedijen
• de beschikbaarheid van de benodigde voedingsstoffen (voor dieren en de mens)

Materie: massa en energie

Materie is alles wat een zekere massa heeft en is eigenlijk gestold licht. In de natuurkunde wordt materie onderscheiden in vaste, vloeibare en gasvormige stoffen. Op basis van de eigenschappen van stoffen kan men grote verschillen waarnemen tussen bijvoorbeeld water, steen en lucht. Doordat die eigenschappen steeds beter in kaart werden gebracht door middel van allerlei ontdekkingen op natuur- en scheikundig gebied, kwam men tot de conclusie dat er bijzonder kleine deeltjes moeten zijn waarop alle materie is opgebouwd. Dat zijn de atomen. De zwaartekracht, de elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht verklaren de eigenschappen van het materiaal. Middels geavanceerde technieken kunnen wetenschappers zelfs nog veel kleinere deeltjes dan de atomen waarnemen, namelijk de bouwstenen van het atoom.

Energiegolven

De meeste energiegolven worden geabsorbeerd door en gebruikt voor processen in de atmosferische lagen die de aarde omgeven. Een klein deel ervan, zijnde het elektromagnetisch spectrum bereikt de oppervlakte van de aarde. De mens kan ongeveer 1% van dat spectrum waarnemen. Ook ultraviolet- en infrarood licht, welke een grote invloed op ons hebben, kunnen wij niet zien.

Opbouw van atomen

Atomen bestaan uit een uiterst kleine atoomkern en om die kern ronddraaiende deeltjes, de elektronen. De kern van een atoom bestaat uit elektrisch positief geladen protonen en ongeladen neutronen. Buiten de atoomkern circuleren middels de elektromagnetische kracht de elektrisch negatief geladen elektronen in schillen die een zeker maximaal aantal elektronen kunnen bevatten. Voor de eerste schil zijn dat er slechts twee en voor de tweede schil acht. Natrium heeft nog een extra elektron, dat eenzaam in de derde schil ronddraait. Natrium heeft derhalve elf protonen en elf elektronen. Chloor, daarentegen, heeft in de derde schil zeven elektronen en zou nog één elektron kunnen opnemen, het beschikt derhalve over 17 protonen en elektronen. Wanneer natrium en chloor, samen vormend keukenzout, in water worden opgelost, neemt chloor het buitenste elektron van natrium over in de vorm van een elektrostatische binding. Het ontstane natrium-ion heeft een positieve lading (elf protonen en tien elektronen) en het chloor-ion een negatieve lading.

Er zijn altijd evenveel protonen als elektronen, de elektrische lading van een atoom is dus neutraal. Atomen streven, bij de vorming van moleculen met andere atomen, naar een volledig gevulde buitenste elektronenschil. Elektrische krachten bepalen het gedrag van atomen. De cel maakt van deze krachten gebruik door scheikundige processen te laten verlopen en te sturen. De eerste mogelijkheid is de uitwisseling van elektronen.

Ionen: overdracht van elektronen

De uitwisseling van elektronen ligt bij natrium en chloor voor de hand. Het gevolg van deze uitwisseling van een elektron is dat het natriumdeeltje positief geladen is, omdat het een negatief geladen elektron is kwijtgeraakt. Het chloordeeltje daarentegen is negatief geladen, omdat een extra elektron is toegevoegd. Elektrisch geladen deeltjes worden ionen genoemd. De scheikundige bindingsvorm wordt dan ook ionenbinding genoemd. Ionen lossen goed op in water, omdat de watermoleculen ook een elektrische lading bevatten. Het water in het menselijk lichaam bevat een grote hoeveelheid natriumchloride. Het zeewater bevat nog aanzienlijk meer. Daarom is het drinken van zeewater bij ernstige dorst fataal, omdat het lichaam de extra zoutinname niet meer kwijt kan raken. Een tweede mogelijkheid van atomen om elektronen op basis van elektrische krachten uit te wisselen is middels het samen delen (sharing).

Het samen delen: gemeenschappelijke elektronen

Een duidelijk voorbeeld hiervan is water (H2O). Waterstof komt één en zuurstof twee elektronen tekort in de buitenste schil. Dus twee H-atomen en één O-atoom zouden één molecuul kunnen vormen door elkaars elektronen te gebruiken. De beide elektronen van de waterstofatomen worden dan tevens opgenomen in de buitenste schil van het zuurstofatoom (zuurstof heeft er dan 6 + 2=8) De waterstofatomen gebruiken één van de overige zes atomen uit de zuurstofschil voor aanvulling van hun eigen schil tot twee elektronen. Er ontstaat zo een molecuul met zeer krachtige bindingen, het watermolecuul. Water (H2O) is een gepolariseerd molecuul, doordat het molecuul een pluspool en een minpool heeft. De elektrische lading van het molecuul is namelijk ongelijk verdeeld.

De waterstofatomen

Deze bevinden zich aan dezelfde kant van het veel grotere zuurstofatoom. Het elektron van waterstof bevindt zich bij de tweede schil van zuurstof. Dat betekent dat de positief geladen kern van beide waterstofatomen naar buiten steekt. Het zuurstofatoom heeft het elektron van beide waterstofatomen opgenomen in zijn tweede schil, waardoor het watermolecuul aan de kant van het zuurstofatoom negatief geladen is. Deze bindingsvorm, van twee of meer atomen waarin de atomen één of meer gemeenschappelijke elektronenparen hebben, wordt een covalente binding genoemd. Op deze manier zijn ook suiker, eiwit en vet opgebouwd. Omdat de elektronen meer bij de zuurstofkern horen dan bij de waterstofkernen is het molecuul aan de kant van de zuurstof licht negatief en aan de waterstofzijde licht positief geladen. Het feit dat het watermolecuul een positieve en een negatieve pool heeft, veroorzaakt belangrijke gevolgen voor het gedrag van watermoleculen. Deze gaan namelijk met de positieve en negatieve zijden tegen elkaar aan liggen. Andere elektrisch geladen deeltjes zoals ionen kunnen zich gemakkelijk tussen watermoleculen door bewegen. Moleculen zonder lading zoals vetten hebben daar grote moeite mee. Ze worden dan ook op een hoopje gedrongen. Deze eigenschap maakt vetten daarom geschikt om ze te gebruiken voor de vorming van membranen in cellen.

Waterstofbruggen

De derde mogelijkheid voor het aangaan van een bindingsvorm op basis van elektrische krachten tussen moleculen is de waterstofbrug. Waterstof is het kleinste atoom en komt veel voor in de natuur. Het vormt heel gemakkelijk middels een covalente binding, moleculen met zuurstof, koolstof en stikstof. De organische stoffen suiker, vet, eiwit en DNA zijn moleculen die samengesteld zijn uit deze elementen. De ruggengraat van die moleculen wordt in het algemeen gevormd door een ketting van koolstofatomen. Aan de uitsteeksels van de koolstofketting zitten zuurstof- en stikstofatomen. De waterstofatomen die met een covalente binding vastzitten aan zuurstof en stikstof, zitten in een positie om bruggen te vormen met andere moleculen in de buurt. Die brug komt tot stand omdat waterstof vanwege zijn eenwaardige positieve kernlading minder aantrekkingskracht kan uitoefenen op de covalente elektronen dan de achtwaardige positieve kernlading van zuurstof of de zevenwaardig positieve kernlading van stikstof.

Licht positief geladen waterstofatomen
Waterstof heeft als atoom daardoor een licht positieve lading en zuurstof en stikstof een licht negatieve. Grote moleculen zoals eiwit en DNA hebben op heel veel plaatsen licht positief geladen waterstofatomen zitten die een brug kunnen slaan naar licht negatieve geladen atomen van andere moleculen (of vertakkingen van het eigen molecuul). De elektrische kracht van een waterstofbrug is zeer zwak, zeker in vergelijking met de elektrische kracht van een covalente binding. Maar als het een groot molecuul is met vele waterstofbruggen dan is de gezamenlijke kracht van al die bruggen voldoende groot om een bepaalde structuur te handhaven. Voor biologische moleculen zijn waterstofbruggen van grote betekenis. De dubbele helixstructuur van het DNA en de bouwvorm van grote eiwitmoleculen wordt bepaald door waterstofbruggen.

Bouwvorm

Met bouwvorm wordt bedoeld de driedimensionale structuur, waarbij alle stukken op de juiste plaats zitten. Daardoor krijgt het eiwit stevigheid en kan ingepast worden in een nog groter bouwwerk, zoals ribosoom, mitochondrion en nucleosoom. De juiste driedimensionale structuur is eveneens van essentieel belang voor de enzymwerking van een eiwit. De geringste afwijking maakt het enzym onwerkzaam.

Van der Waals kracht

De vierde en zwakste bindingsvorm van biologische moleculen door elektrische krachtwerking is de Van der Waals kracht, genoemd naar de Nederlandse ontdekker. Deze kracht kan omschreven worden als het streven van atomen in en tussen moleculen om elektrisch zo efficiënt mogelijk verpakt te worden. Dat wil zeggen dat de aanwezige ruimte optimaal wordt gevuld, uiteraard met inachtneming van de veel sterkere krachten van de covalente bindingen en de waterstofbruggen. De Van de Waals kracht is dus onbeduidend tussen enkele atomen, maar als collectieve kracht tussen alle atomen van een groot eiwitmolecuul is deze kracht van betekenis voor vorm en handhaving van de driedimensionale structuur.