Chemie van het leven (Scheikunde havo), les 1: Uitleg

• newEditor
• Scheikunde
• Middelbare school
• havo
• Leerjaar 4,5

Introduction

Uitleg over de chemie van het leven voor het examen: fotosynthese, de bouw en functie van eiwitten, koolhydraten en vetten, de afbraak van voedingsstoffen en de werking van enzymen. Met 2 animaties, 5 controlevragen en een exit. Verwijst naar Organische reacties voor hydrolyse en condensatie.

Plantencellen met bladgroenkorrels onder de microscoop (waterpest) (foto: Lilyviolet, CC BY 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Chemie van het leven

Examenstof scheikunde havo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: L1.1-L1.6. Image credit: Lilyviolet / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Wat ga je kunnen?

Ik kan fotosynthese, de bouw en functie van eiwitten, koolhydraten en vetten, hun afbraak en de werking van enzymen beschrijven.

Wat gebeurt er chemisch met je eten, vanaf de maaltijd tot een stukje spier of energie?

Verwachte woorden: spijsvertering, maag, bloed, energie, eiwit, suiker, vet, enzym, ademhaling, groeien, planten. Sorteer ze op: wat ontstaat in planten (fotosynthese), wat zit in voeding (eiwit, koolhydraat, vet) en wat doet het lichaam ermee (afbreken, opbouwen). Koppel aan de les: vier stappen van zon tot cel. Veelgemaakte misvatting: dat voedsel in het lichaam 'verdwijnt'; de atomen blijven bestaan en worden bouwstenen of brandstof.

Plantencellen met bladgroenkorrels onder de microscoop (waterpest) (foto: Lilyviolet, CC BY 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Chemie in levende organismen

• Een organisme bestaat uit cellen, en in elke cel verlopen chemische reacties.

• Het celmembraan omsluit de cel en regelt wat erin en eruit gaat.

• Voedsel komt via de spijsvertering in het bloed, dat zorgt voor het transport.

• Bij de ademhaling wisselen zuurstof en koolstofdioxide uit: de gaswisseling.

Syllabus L1.1: de biologische vakbegrippen ademhaling/gaswisseling, bloed, cel, celmembraan, organisme, spijsvertering en transport herkennen en gebruiken. Dit zijn bekende begrippen uit biologie; ze worden niet apart bevraagd maar komen steeds terug in de les. Foto: plantencellen van waterpest onder de microscoop, de groene korrels zijn bladgroenkorrels. Kijkvraag: waarom zijn deze cellen groen? Antwoord: ze bevatten bladgroen voor de fotosynthese. Image credit: Lilyviolet / Wikimedia Commons, CC BY 4.0

Zes CO₂ en twaalf H₂O geven glucose, zuurstof en zes H₂O (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Fotosynthese: licht wordt glucose

• Bij fotosynthese zet een plant lichtenergie om in chemische energie.

• Beginstoffen: CO₂ en H₂O. Producten: glucose en zuurstof.

• 6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂, met licht als energiebron.

• De animatie toont meer: 12 H₂O erin, 6 H₂O eruit. Netto dus 6 H₂O.

Syllabus L1.2: de fotosynthese van glucose beschrijven als een proces waarbij licht energie wordt omgezet in chemische energie, met productie van zuurstof. Controle van de netto vergelijking: links 6 C, 12 H (6 × 2) en 18 O (12 + 6); rechts 6 C, 12 H en 6 O + 12 O = 18 O. Eigen animatie: de uitgebreide vergelijking 6 CO₂ + 12 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O. Controle: links 6 C, 24 H en 24 O (12 + 12); rechts 6 C, 24 H (12 + 12) en 24 O (6 + 12 + 6); samen 54 atomen. Elk O₂ ontstaat uit de O-atomen van twee watermoleculen (proeven met ¹⁸O laten zien dat alle O₂ uit water komt); de O-atomen van CO₂ komen in glucose en in nieuw gevormd water terecht. 6 H₂O links en rechts vallen weg: dat geeft de netto vergelijking op de dia. Kijkvraag: hoeveel atomen C, H en O staan er voor en na de reactie? Antwoord: 6 C, 24 H en 24 O, voor en na. Veelgemaakte fout: denken dat de plant zuurstof uit de lucht opneemt voor de glucose, of dat de O₂ uit CO₂ komt. Image credit: Eigen animatie

Gebakken aardappel: een knol vol zetmeel

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Koolstofassimilatie en zuurstof

• CO₂ wordt vastgelegd in glucose: dat heet koolstofassimilatie.

• De chemische energie zit nu in de bindingen van glucose.

• Zuurstof komt vrij en verlaat de plant via de gaswisseling.

• Planten slaan glucose op als zetmeel, bijvoorbeeld in een aardappelknol.

Syllabus L1.2: productie van zuurstof en vastleggen van koolstofdioxide (koolstofassimilatie). De omgekeerde omzetting bij de ademhaling (glucose en zuurstof geven koolstofdioxide en water, waarbij energie vrijkomt) is bekend uit biologie; de syllabus vraagt hier alleen om fotosynthese. Veelgemaakte fout: koolstofassimilatie verwarren met het opnemen van zuurstof. Kijkvraag: waar zit de energie van het zonlicht na afloop? Antwoord: als chemische energie in glucose. Planten en algen leggen koolstof vast; dieren krijgen die stoffen binnen via hun voedsel. Foto: een aardappelknol bevat veel zetmeel, opgebouwd uit glucose die de plant door fotosynthese maakte. Image credit: Renee Comet / Wikimedia Commons, publiek domein

Welke stoffen zijn de beginstoffen van fotosynthese?

A

CO₂ en H₂O

B

C₆H₁₂O₆ en O₂

C

CO₂ en O₂

D

C₆H₁₂O₆ en H₂O

Syllabus L1.2: beginstoffen CO₂ en H₂O, producten glucose en zuurstof. Verwachte fout: CO₂ en O₂ kiezen omdat beide gassen zijn, of glucose en zuurstof als beginstoffen (verwisseld met de ademhaling).

Algemeen aminozuur en een tripeptide uit glycine, alanine en serine (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Aminozuren en eiwitten

• Een aminozuur heeft een NH₂-groep, een COOH-groep en een restgroep R.

• Aminozuren koppelen tot ketens met peptidebindingen: zie de les Organische reacties.

• De volgorde van de aminozuren in de keten is de primaire structuur.

• Essentiële aminozuren kan het lichaam niet zelf maken: ze komen uit voeding.

Syllabus L1.3: eiwitten/enzymen op microniveau: (essentiële) aminozuren en primaire structuur. De vorming van de peptidebinding (condensatie) en de hydrolyse staan in de les Organische reacties (R1.11) en worden hier niet herhaald. De structuurformules van de aminozuren staan in Binas (of ScienceData). In de figuur is de peptidebinding C(=O)–N in magenta; de volgorde van het tripeptide is glycine, alanine, serine, gelezen van de NH₂-kant naar de COOH-kant. Secundaire en tertiaire structuur zijn geen havo-stof. Veelgemaakte fout: primaire structuur verwarren met de vorm van het eiwit. Kijkvraag: welke atomen vormen de peptidebinding? Antwoord: C(=O) en N–H. Image credit: Eigen figuur

Mono-, di- en polysacharide als schema van zeshoeken (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Mono-, di- en polysachariden

• Monosachariden zijn de bouwstenen, zoals glucose en fructose (C₆H₁₂O₆).

• Een disacharide bestaat uit twee monosachariden: sacharose is glucose met fructose.

• Een polysacharide is een lange keten van monosachariden, zoals zetmeel en cellulose.

• Structuurformules van suikers vind je in Binas (of ScienceData).

Syllabus L1.3: koolhydraten op microniveau: mono-, di- en polysachariden. Sacharose bestaat uit een glucose- en een fructose-eenheid; zetmeel en cellulose bestaan uit glucose-eenheden. Het schema is bewust vereenvoudigd: elke zeshoek staat voor een eenheid en de magenta O voor de binding ertussen; de echte structuurformule haal je uit Binas. Hydrolyse van koolhydraten staat in de les Organische reacties. Veelgemaakte fout: glucose een polysacharide noemen omdat het suiker is. Kijkvraag: uit hoeveel eenheden bestaat een disacharide? Antwoord: twee. Image credit: Eigen figuur

Triglyceride met twee verzadigde vetzuren en één onverzadigd vetzuur (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Vetten: glycerol en vetzuren

• Een vet is een triglyceride: glycerol met drie vetzuren, verbonden door estergroepen.

• Glycerol is een stof met drie OH-groepen.

• Een verzadigd vetzuur heeft alleen enkele C–C-bindingen in de staart.

• Een onverzadigd vetzuur heeft één of meer C=C-bindingen.

Syllabus L1.3: vetten op microniveau: glycerol, triglyceriden, (on)verzadigde vetzuren. In de figuur is de lange koolstofketen ingekort; de magenta groepen zijn de drie estergroepen. Plantaardige oliën bevatten vooral onverzadigde vetzuren; additie van H₂ aan de C=C (zie de les Organische reacties) maakt ze verzadigd. Veelgemaakte fout: denken dat verzadigd betekent dat er geen H-atomen meer bij kunnen en dat dat voor de hele triglyceride geldt: het gaat om de C=C in de staart van het vetzuur. Kijkvraag: waar zit de C=C in de figuur? Antwoord: in de staart van het middelste vetzuur. Image credit: Eigen figuur

Wat is de primaire structuur van een eiwit?

A

De vouwing van de keten in de ruimte

B

Het aantal peptidebindingen in de keten

C

De volgorde van de aminozuren in de keten

D

De NH₂-groep aan het begin van de keten

Syllabus L1.3: primaire structuur. Verwachte fout: de ruimtelijke vorm kiezen; die hoort bij secundaire en tertiaire structuur en is geen havo-stof, of het aantal peptidebindingen: dat zegt niets over de volgorde.

Vul in

Een vetzuur met een C=C-binding heet onverzadigd; een triglyceride bevat glycerol en drie vetzuren.

onverzadigd

triglyceride

glycerol

verzadigd

glucose

Syllabus L1.3: (on)verzadigde vetzuren, glycerol, triglyceriden. Verwachte fout: verzadigd en onverzadigd verwisselen, of glucose als bouwsteen van een vet noemen.

Van voedingsstof naar bouwsteen naar lichaamseigen stof (eigen schema)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Afbraak van voedingsstoffen

• Bij de spijsvertering worden grote voedingsstoffen gehydrolyseerd tot bouwstenen.

• Eiwit geeft aminozuren, zetmeel geeft glucose, vet geeft glycerol en vetzuren.

• Dit is hydrolyse (zie Organische reacties), versneld door enzymen.

• Het bloed vervoert de bouwstenen naar de cellen: daar ontstaan lichaamseigen stoffen.

Syllabus L1.4: de afbraak van voedingsstoffen beschrijven als een chemisch proces, waarbij de producten als basis kunnen dienen voor het maken van lichaamseigen stoffen. De hydrolysereacties zelf (vergelijkingen met H₂O) staan in de les Organische reacties (R1.11); hier gaat het om het verloop: afbraak, opname in het bloed, transport, opbouw. Voorbeeld: aminozuren uit voedseleiwit worden gebruikt om eigen eiwitten te maken, met peptidebindingen. Veelgemaakte fout: denken dat eiwit uit voeding als geheel in het lichaam terechtkomt. Kijkvraag: welke bouwstenen ontstaan uit een vet? Antwoord: glycerol en vetzuren. Image credit: Eigen figuur

Rode linzen, een peulvrucht met veel eiwit

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Eiwitten: bouwstof en enzym

• Eiwitten zijn bouwstof: onder meer spieren en huid bevatten veel eiwit.

• Enzymen zijn eiwitten: ze versnellen reacties in het lichaam.

• Eigen eiwitten bouwt het lichaam op uit de aminozuren van afgebroken voedseleiwit.

• Peulvruchten, zoals linzen, bevatten veel eiwit.

Syllabus L1.5: functie van eiwitten: bouwstof en enzymen. Veelgemaakte fout: eiwitten alleen als bouwstof zien en de rol van enzymen vergeten; enzymen komen in het volgende blok terug. Kijkvraag: welke twee functies van eiwitten kun je noemen? Antwoord: bouwstof en enzym. Image credit: Fumikas Sagisavas / Wikimedia Commons, CC0

Droge pasta: vooral zetmeel, een polysacharide (foto: Realpublicdomain2004, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Koolhydraten: energieopslag

• Koolhydraten zijn energieopslag: planten slaan glucose op als zetmeel.

• Pasta, brood en aardappelen bevatten veel zetmeel.

• Bij de vertering komt die energie beschikbaar als glucose.

Syllabus L1.5: functie van koolhydraten: energieopslag. Veelgemaakte fout: zetmeel zien als een eiwit of vet. Kijkvraag: welke bouwsteen levert zetmeel bij afbraak? Antwoord: glucose. Image credit: Realpublicdomain2004 / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Walnoten, rijk aan vet met onverzadigde vetzuren (foto: Ivar Leidus, CC BY-SA 4.0)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Vetten: energie en bouwstof

• Vetten zijn energieopslag.

• Vetten zijn daarnaast bouwstof in het celmembraan.

• Noten en plantaardige oliën bevatten veel onverzadigde vetzuren.

Syllabus L1.5: functie van vetten: bouwstof in membranen en energieopslag. Het celmembraan komt uit L1.1 terug. Veelgemaakte fout: vetten alleen als energie zien. Kijkvraag: welke twee functies hebben vetten? Antwoord: energieopslag en bouwstof in het celmembraan. Image credit: Ivar Leidus / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Welke stof is zowel bouwstof als enzym?

A

Zetmeel

B

Vet

C

Eiwit

D

Glucose

Syllabus L1.5: eiwitten zijn bouwstof en enzymen. Verwachte fout: vet kiezen omdat vet ook bouwstof is; maar vetten zijn geen enzymen.

Een enzym bindt alleen het passende substraat en blijft zelf ongewijzigd (eigen animatie)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Enzymen: biokatalysatoren

• Een enzym is een eiwit dat een reactie versnelt en zelf niet verbruikt wordt.

• Zo'n stof heet een biokatalysator.

• Het enzym bindt het substraat in het actieve centrum en zet het om in producten.

• Elk enzym past bij één soort substraat: dat heet specificiteit.

Syllabus L1.6: de functie van enzymen beschrijven met biokatalysator en specificiteit. Eigen animatie: wat moeten de leerlingen zien? Eerst past een verkeerde stof niet in het actieve centrum, daarna past het substraat precies, het wordt omgezet en beide producten verlaten het enzym; het enzym is daarna ongewijzigd. Kijkvraag: waarom blijft het enzym bestaan? Antwoord: het is een katalysator, het wordt niet verbruikt. Veelgemaakte fout: denken dat een enzym als beginstof meedoet in de reactievergelijking. Enzymkinetiek hoort niet bij deze specificatie. Image credit: Eigen animatie

Enzymactiviteit tegen temperatuur en tegen pH, met het optimum (eigen figuur)

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

pH- en temperatuuroptimum

• Bij één temperatuur werkt een enzym het best: het temperatuuroptimum.

• Te koud: de reactie verloopt langzaam. Te warm: het enzym werkt niet meer.

• Ook de zuurgraad telt: bij het pH-optimum is de activiteit het hoogst.

• Elk enzym heeft eigen optima, passend bij de plek waar het werkt, zoals de zure maag.

Syllabus L1.6: pH-optimum en temperatuuroptimum. De grafieken zijn schematisch, zonder getallen: leerlingen leggen een optimum uit, ze lezen geen waarde af. Een enzym in de maag werkt bij een lage pH, een enzym in de mond bij een pH rond neutraal; namen van enzymen vraagt de syllabus niet. Bij te hoge temperatuur verandert de vorm van het enzym en past het substraat niet meer in het actieve centrum. Veelgemaakte fout: denken dat een hogere temperatuur altijd tot meer activiteit leidt. Kijkvraag: wat gebeurt er rechts van het optimum in de bovenste grafiek? Antwoord: de activiteit daalt snel naar nul. Image credit: Eigen figuur

Zet de werking van een enzym op volgorde

1

Het substraat past in het actieve centrum

2

De producten verlaten het enzym

3

Het substraat wordt omgezet in producten

4

Het enzym is vrij voor nieuw substraat

Syllabus L1.6: functie van enzymen als biokatalysator. Verwachte fout: de omzetting en het vertrekken van de producten verwisselen.

Welk onderdeel was voor jou het lastigst?

1

Fotosynthese en energie

2

Eiwit, koolhydraat en vet

3

Afbraak en functie

4

Enzymen

Gebruik de uitkomst om de examentraining te beginnen bij het lastigste blok. Bij fotosynthese: terug naar de animatie en laat leerlingen de atomen tellen. Bij enzymen: laat de animatie nog eens zien en laat de leerlingen de vier fasen benoemen.

Leg in je eigen woorden uit wat een biokatalysator is.

Goed antwoord: een stof (een enzym, een eiwit) die een reactie in een levend organisme versnelt en zelf niet wordt verbruikt. Verwachte fout: dat het enzym een beginstof of een product van de reactie is.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Begrippen (1/2)

• fotosynthese: Plant zet lichtenergie om in chemische energie: CO₂ en H₂O worden glucose en O₂.

• koolstofassimilatie: Het vastleggen van CO₂ in glucose.

• aminozuur: Bouwsteen van eiwit met een NH₂-groep, een COOH-groep en een restgroep.

• primaire structuur: De volgorde van de aminozuren in een eiwit.

• polysacharide: Lange keten van monosachariden, zoals zetmeel en cellulose.

EXAMENSTOF SCHEIKUNDE · LEVEN · VOEDINGSSTOFFEN

Begrippen (2/2)

• triglyceride: Vet: glycerol met drie vetzuren.

• onverzadigd vetzuur: Vetzuur met één of meer C=C-bindingen in de staart.

• biokatalysator: Stof (enzym) die een reactie in een organisme versnelt en niet wordt verbruikt.

• specificiteit: Een enzym zet maar één soort substraat om.

• optimum: De temperatuur of pH waarbij een enzym het meest actief is.