Het Anabolenboek

Willem Koert
Aede de Groot

Wageningen, 20/09/2006

2. Vormen van Eenvoudige Koolstofverbindingen

Aede de Groot, Willem Koert

In het vorige hoofdstuk schreven we hoe organisch chemici, biochemici en farmaceuten samen zoeken naar optimaal werkende hormonen waarmee ze biologische processen kunnen bijsturen. Een belangrijke stap in die zoektocht is het vinden van het aangrijpingspunt, de receptor, van die stof. Voor anabole steroïden is dat aangrijpingpunt de androgeenreceptor.

Een receptor is een groot eiwitmolecuul, waarin een holte aanwezig is waarin de werkzame stof, het ligand, moet passen. Past het ligand in de receptor, dan ontstaat een ligand-receptor-complex, waardoor het receptoreiwit van vorm verandert en actief wordt. Het passen van de ligand in de receptor is het gevolg van een interactie op moleculair niveau. We zullen nagaan welke factoren daarbij een rol spelen.

Daarvoor is enige chemische basiskennis nodig. We kijken daarom eerst naar de namen en vormen van enkele eenvoudig koolstofverbindingen.

Elke organische stof bestaat uit een groot aantal moleculen. Die moleculen zijn de kleinst mogelijke bestanddelen van een stof. Ze zijn zo klein dat ze ook met de krachtigste instrumenten niet afzonderlijk zichtbaar zijn. Toch hebben die moleculen een vorm, die dikwijls bekend is. Die vorm bepaalt of het molecuul past in de holte van een receptor.

De afzonderlijke moleculen van een stof zijn op hun beurt opgebouwd uit atomen. Het aantal en de soort atomen waaruit een molecuul bestaat wordt aangegeven door zijn brutoformule. Voor testosteron is die bruto formule C₁₉H₂₈O₂, wat betekent dat testosteron bestaat uit 19 koolstofatomen (symbool C), 28 waterstofatomen (symbool H) en 2 zuurstofatomen (symbool O). De atomen van de elementen C, H en O hebben elk hun eigen grootte en bindingsmogelijkheden en samen bepalen ze de grootte en vorm van het hele testosteron molecuul.

In het eerste hoofdstuk merkten we al op dat koolstof (C) het belangrijkste element is in organische stoffen en dat alle natuurproducten bestaan uit verbindingen van dit element. Afzonderlijke atomen van koolstof hebben vier mogelijkheden om te binden met andere atomen, en in alle koolstofverbindingen in de natuur worden deze vier mogelijkheden altijd allemaal gebruikt. Die vier bindingsmogelijkheden, kortweg de vier bindingen van koolstof, zijn gericht naar de hoekpunten van een tetraëder en ze maken dus een onderlinge hoek van 109,5° met elkaar (zie Figuur 1).

Het tweede element in testosteron is waterstof (H). Waterstof is het eenvoudigste element dat we kennen, en heeft maar één mogelijkheid om met andere atomen te binden. Eén koolstofatoom (C) kan met zijn vier bindingen dus vier waterstofatomen (H) binden en vormt dan het molecuul CH₄. Dat molecuul heet methaan en het is het voornaamste bestanddeel van aardgas. Methaan is een natuurproduct, dat wordt gemaakt door methaanbacteriën. Omdat de bindingen van het C-atoom gericht zijn naar de hoekpunten van een tetraëder, zitten de H-atomen in methaan ook op de hoekpunten van die tetraëder. Daarmee is de vorm van het molecuul methaan bepaald (zie Figuur 1).

Figuur 1

C-atomen kunnen ook prima met elkaar binden, en op die manier zet de natuur oneindig veel moleculen met dit element in elkaar. Koolstofmoleculen zijn net legostenen met vier verbindingsmogelijkheden. Eenvoudige voorbeelden zijn de moleculen ethaan en etheen. De twee C-atomen in ethaan gebruiken elk één binding om elkaar vast te houden, de andere drie bindingen aan elk C-atoom zijn bezet met H-atomen (zie Figuur 2).

In etheen zitten de beide C-atomen met twee bindingen aan elkaar gebonden. Dit is een zogenaamde dubbele binding. De overige twee plaatsen aan elk C-atoom zijn door H-atomen bezet. Etheen is een belangrijk plantenhormoon, het zorgt voor de rijping van fruit en in het algemeen voor de veroudering van de plant.

Ethaan en etheen verschillen maar twee H-atomen van elkaar, maar dat verschil heeft grote gevolgen voor hun chemische eigenschappen en voor hun vorm. Ethaan heeft zo ongeveer de vorm van een zandloper. Het bijzondere van een dubbele binding is, dat alle atomen die aan en naast een dubbele binding zitten, in één vlak liggen. Etheen is daarom een vlak molecuul. (zie Figuur 2).

Als dit structuurelement van de dubbele binding onderdeel is van een groter molecuul, dan is dat molecuul ook vlak rond die dubbele binding. Zo’n structuurelement heeft dus invloed op de vorm van dat grotere molecuul. In testosteron zit bijvoorbeeld één dubbele binding, een synthetisch anabool steroid als trenbolon heeft er drie. De dubbele bindingen maken van trenbolon een platter molecuul dan testosteron.

Figuur 2

Het derde element in testosteron is zuurstof (O). Zuurstof heeft twee mogelijkheden om met andere atomen te binden. Een zuurstof atoom (O) kan dus twee waterstof atomen (H) binden en vormt daarmee het molecuul H₂O, beter bekend onder de naam water.

De beide H-atomen en het O-atoom liggen in één vlak en de bindingen in water vormen een hoek met elkaar van 105°.

Eén C-atoom kan met zijn vier bindingen twee O-atomen met elk twee bindingen vasthouden en we krijgen dan het molecuul CO₂, ofwel kooldioxide. De beide dubbele bindingen liggen in elkaars verlengde en kooldioxide is daarom een lineair molecuul.

Een ander bekend molecuul waarin C-C, C-O, C-H en O-H bindingen voorkomen is ethanol of gewone alcohol. Ethanol ontstaat als je één van de H-atomen in water vervangt door een ethylgroep, een groep van twee C-atomen die is afgeleid van ethaan.

Figuur 3

Er zijn nog vier andere atomen die in anabole steroïden kunnen voorkomen. Dat zijn stikstof (symbool N) en de halogeenatomen fluor (symbool F), chloor (symbool Cl) en soms broom (symbool Br).

In de jaren negentig hebben Amerikaanse onderzoekers anabole steroidhormonen ontwikkeld met jodium. De hormonen waren echter niet effectief. [Meer]

Er komt een F-atoom voor in het anabole steroid fluoxymesteron (Halotestin) en er komt een Cl-atoom voor in halodrol en turinabol. Een broom-atoom vind je in het designersteroid Hyperdrol, en in stanozolol vind je twee stikstof-atomen.

Het N-atoom heeft drie bindingsmogelijkheden voor andere atomen. De eenvoudigste stikstofverbinding is ammonia (NH₃) (zie Figuur 4). Als we, net als bij water en ethanol, één van de H-atomen in ammonia vervangen door een ethylgroep, dan krijgen we ethylamine. Stikstof komt voor in alle aminozuren, de bouwstenen voor eiwitten. Een voorbeeld is het aminozuur alanine. Meer over eiwitten en aminozuren vertellen we in het volgende hoofdstuk.

Figuur 4

De halogeen atomen F, Cl en Br hebben alledrie maar één bindingsmogelijkheid voor andere atomen. Een C-atoom kan dus 4 Cl-atomen binden, zoals in tetrachloorkoolstof (CCl₄). Een eenvoudige chloor bevattende stof is HCl, ofwel zoutzuur, het belangrijkste zuur in de maag.