The Science 

Behind 

Dehydration 

Synthesis and Hydrolysis

Dehydration Synthesis

DEHYDRATION                              SYNTHESIS: DESPITE                            BEING VERY DIVERSE, LIFE                    CAN BE BROKEN DOWN                        INTO ITS FOUR MAJOR                  BUILDING BLOCKS:        CARBOHYDRATES,                          PROTEINS, LIPIDS AND                    NUCLEIC ACIDS.

Being a constituent ofliving        organisms, a more general                    name for this group of                          organic compounds is                 biomolecules. These                 biomolecules are needed                          for survival: carbohydrates                      and lipids for energy                          source,  proteins for                        structural support, and                        nucleic acids for carrying                   genetic information.

Water is essential in        numerous cellular process-                        es. In fact, in the presence                            of water, dehydration                      synthesis and hydrolysis                            are the biochemical              processes that are used to                    either build or break down                        the said biological                          molecules.

Let’s take a look and                            explore what actually                        happens in these reactions.

What is Dehydration 



                Synthesis?

 



Also known as condensation            reaction, dehydration                synthesis[¹] is the process of        combining small molecules                  (called monomers) in order                          to produce larger units                          (called polymers), following                        the removal of water (H2O):
  • In this process, a hydrogen                      ion (H+) from one                        component and a                          hydroxide ion (OH-) from                          the succeeding component                        are removed.The hydrogen                      ion and hydroxide then                  combine to form water,                          H²O, hence, the                          components  appear to                          “lose water” or                            “dehydrate“.
  • Dehydration synthesis is                         also called as                          “condensation reaction”                    because both are                      characterized by the                condensation and                          formation of water from                          the large molecule.
  • Examples of dehydration                synthesis reactions are the          conversion of monosaccha                            -rides to complex sugars,              production of proteins                            from amino acids,                        conversion of fatty acids to                complex fats, and the                   formation of nucleic                 acids from nucleotides.


The diagram below                            illustrates how dehydration            synthesis generally occur                              in polymers.

Dehydration Synthesis and Hydrolysis
Dehydration Synthesis and Hydrolysis

(a) Dehydration synthesis:                             Monomers are joined by removal                            of OH from one monomer and                          removal of H from the other at the                          site of bond formation.                                                                   (Monomer 1)— OH +                                            HO —(Monomer 2)

H₂O→

Monomers linked by covalent bond

(b) Hydrolysis: Monomers are                                             released by the addition of a water                   molecule, adding OH to one                        monomer and H to the other.

Monomers linked by covalent                               bond

⤷H₂O→

(Monomer 1) — OH 

+ HO — (Monomer 2)

Types of Dehydration        Synthesis

In biological organisms,                  various types of                      dehydration  synthesis                      occur. Such are classified                  based on the following:

1. Based on the                                    nature of reactants

        For instance, this criterion is                            due to the fact that biomole-                            cules and their building                                    blocks are made of chemical                            elements and functional                                    groups that are combined                                together. Basically, this                                      category simply classifies                                  them whether they are of                                the amine group, carboxyl                                group, and others.

2. Based on the 


     nature of the catalyst


In living organisms,                            chemical parameters like                            pH, temperature,  and                          salinity are variable.                              Hence, biological catalysts,                            or enzymes that speed up                  chemical reactions are                        needed. Along with that, the                      type of dehydration                          synthesis  is named after the                  catalyst that drive the                          reaction.

3. Based on the 
               product formed


As mentioned earlier,                    dehydration synthesis can                    produce a wide variety of                  polymer products.                            Therefore, these types of                  reactions are grouped                        whether they form                              complex carbohydrates                            from simple sugars, create                        fatty acids from Acetyl-                              CoA, and others.

What is Hydrolysis?


Relative to the process of                dehydration synthesis,            hydrolysis[²] is merely the                  reverse. Using water mole-                        cules complex molecules                              are broken down into                          smaller units.
  • Large molecules are                            broken down by breaking                        the bond between water              molecules. In this process,                            a hydrogen ion (H+) is                          added to one component                          and a hydroxide ion (OH-)                            is added to another one.
  • Since water is split, it is                      termed as “hydrolysis”                          which literally means                          “water separation[³].
  • Examples of hydrolytic                  reactions are the breaking                    down of complex sugars,                proteins, complex fats,                              and nucleic acids into      monosaccharides, amino                      acids, fatty acids, and                nucleotides.


Types of Hydrolysis

Various types of hydrolysis                    occur in living organisms.                        The three types[⁴] are listed                below:

1. Salt Hydrolysis


This occurs when a salt                                  is dissolved in water. The                        water then is converted to                hydrogen ions (H+) and                      hydroxyl ions (OH-) as salt              dissociates into cations and                    anions.

2. Acid Hydrolysis

                           
According to the Bronsted-         Lowry theory, water can                             act as either an acid or a                         base. If the water molecule               donates proton (H+), water                           is said to act as an acid.

3. Base Hydrolysis


In relation to what was                  mentioned above, the water            molecule can act as a base                          and hydrolyze molecules. If                        the molecule accepts the                        proton (H+) from water, the              molecule is said to act as a                        base.


Reactions of Dehydration          Synthesis and Hydrolysis


As mentioned earlier,                      dehydration hydrolysis                            work the same way in the                          four major macromolecules.                      The table below will give                            you more simplified view                                of their reactions:
Type of Organic CompoundType of Bond InvolvedDehydration
Synthesis
Hydrolysis
CarbohydratesGlycosidic bondTwo or more monosaccharides
combined = Disaccharide/
Polysaccharide +
H2O
Disaccharide/Polysaccharide + H2O = Monosaccharide units
ProteinsPeptide bondTwo or more
amino acids =Dipeptide/
Protein + H2O
Dipeptide/Protein + H2O = Two or more amino acids
LipidsEster bond3 Fatty acids + Glycerol = Lipid moleculeLipid molecule + 3 H2O = 3 Fatty acids + Glycerol
Nucleic acidsPhosphodiester bond10 nucleotides = Nucleic acid + H2ONucleic acid + H2O = 10 nucleotides

Should you need more              illustrations, you may                          check this YouTube video                  below:  here 

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Roles of Dehydration Synthesis in Biological Systems & Examples

                                                                                                                                            In most autotrophic                          organisms utilize                            dehydration synthesis in                          order to form long chains                              of small molecules. For                        instance, this process used                            for storing excess glucose                              by converting it to glycogen                (storage form of                        carbohydrates in animals)                            or starch (storage form of        carbohydrates) in plants.
  • Another common example                          of dehydration synthesis                            in plants is the production                          of maltose (malt sugar)                          from the fusion of two                        glucose units resulting                            from the freeing of water                  molecule.Other polymers                            of carbohydrates are also                    formed this way.

Roles of Hydrolysis in                Biological Systems &                    Examples

                On the other hand, in                                     heterotrophic (unable to       photosynthesize) organisms,     the digestion of food into                 smaller substances is                       important to absorb the                    nutrients and convert                                them to a more usable                              form of energy. When the                        body needs energy to                    biosynthesize, this energy                            in the form of ATP under-                        goes hydrolysis and after                        which can now be utilized.
  • In animals,digestion is one                          of the most common                        example of hydrolysis.                            Food is broken down                (hydrolyzed) into small                          units by different                                enzymes present in the                  digestive tract. Such pave                          the way for the easier                  absorption of nutrients in                        the small intestine.
  • Other examples include                              the hydrolysis of fat as                                  this helps in the                                prevention of them                                clotting in different parts                            of the body.


From being a mere thirst                    quencher to a facilitator of            photosynthesis to becoming                          a builder or breaker of                  molecular compounds, we                      have seen that water is                    undeniably essential for                              living organisms at the                  molecular level. What do                          you think are other abilities                      and uses of this compound?

●Type of Organic                    Compound¹                                               Type of Bond Involved²           Dehydration Synthesis³             Hydrolysis⁴ 

●¹Carbohydrates¹                                         Glycosidic bond²                                                                   Two or more monosacchar-                        ides combined = Disacchar-                    ide/ Polysaccharide + H2O³       Disaccharide/Polysacchari-                        de+H2O = Monosaccharide                    units⁴

●Proteins¹                                           Peptide bond²                                         Two or more amino acids =Dipeptide/Protein + H2O³         Dipeptide/Protein + H2O =                        Two or more amino acids⁴

●Lipids¹                                                       Ester bond²                                                    3 Fatty acids + Glycerol =                            Lipid molecule³                                             Lipid molecule + 3 H2O =                             3 Fatty acids + Glycerol⁴

●Nucleic acids¹                     Phosphodiester bond²                             10 nucleotides = Nucleic                          acid + H2O³                                             Nucleic acid + H2O =                                 10 nucleotides⁴