Samenvatting van alle hoorcolleges, werkcolleges en zelfstudies van het onderdeel Fysische Chemie van de cursus Moleculen (BMW10505)

2019-2020




Samenvatting
moleculen
Fysische chemie




Moleculen - Periode 3
Door Nicole (studente BMW)

,Inhoudsopgave
Oxidatieve fosforylering.........................................................................................................................3
Elektrochemie.....................................................................................................................................3
Redoxreacties.................................................................................................................................3
Functie van elektronendragers...........................................................................................................4
Elektronentransportketen..................................................................................................................5
NADH-Q oxidoreductase (Complex I)..............................................................................................5
Succinaat-Q reductase (Complex II)................................................................................................6
Q-cytochroom C oxidoreductase (Complex III)...............................................................................7
Cytochroom C oxidase (Complex IV)...............................................................................................8
Protonengradiënt...............................................................................................................................9
Synthese van ATP.............................................................................................................................10
ATP synthase complex..................................................................................................................10
Ademhalingscontrole....................................................................................................................15
Fysiologische ontkoppeling...........................................................................................................16
Remmers van de ATP synthese.....................................................................................................17
Biologische thermodynamica...............................................................................................................18
Nulde wet.........................................................................................................................................18
Hoofdwetten....................................................................................................................................18
Kringloop..........................................................................................................................................19
Opslag en verbruik van energie....................................................................................................19
Systeem............................................................................................................................................19
Toestandsfuncties.............................................................................................................................21
Balansvergelijkingen.....................................................................................................................21
Steady state..................................................................................................................................21
Evenwicht.....................................................................................................................................22
Behoudswetten............................................................................................................................23
Eerste hoofdwet van de thermodynamica.......................................................................................23
Enthalpie...........................................................................................................................................24
Reactie-enthalpie..........................................................................................................................24
Vormingsenthalpie.......................................................................................................................24
Meten van energie en enthalpie......................................................................................................25
Endotherm en exotherm..................................................................................................................26
Tweede hoofdwet van de thermodynamica.....................................................................................26
Entropie........................................................................................................................................27

1

, Warmte-uitwisseling.....................................................................................................................27
Entropie en leven..........................................................................................................................28
Gibbs vrije energie............................................................................................................................28
Efficiëntie van koppeling...............................................................................................................29
Dissipatie van Gibbs vrije energie.................................................................................................30
Redoxreacties...................................................................................................................................30
Redoxpotentiaal berekenen.........................................................................................................30




2

,Oxidatieve fosforylering
Elektrochemie
Er zijn een aantal factoren die een rol spelen bij de elektrochemie:
 Redox
 NADH  Elektronendrager, komt voor bij de oxidatieve fosforylering.
 FADH2  Elektronendrager, komt voor in de citroenzuurcyclus (krebscyclus).
 O2  Uiteindelijke elektronenacceptor.
 FeS
 Q (ubiquinon)  Antioxidant
 Enthalpie
 ATP
 Glucose
 Entropie
 Concentraties
 Gradiënten
 pH
 Gibbs vrije energie (ΔG)

Enthalpie en entropie zijn belangrijk bij het verlopen van reacties (Gibbs vrije energie).

Redoxreacties
Bij redoxreacties zijn er twee reacties van belang:
 Reductie  Oxidator neemt elektronen op.
 Oxidatie  Reductor geeft elektronen af.

Om te bepalen welke kant een redoxreactie in gaat, kan gebruik gemaakt worden van een
proefopstelling. Hierbij wordt aan de ene halfcel een oplossing toegevoegd, die 1 M oxidatiemiddel
(X) en 1 M reductiemiddel (X–) bevat. Aan de andere (referentie) halfcel wordt een 1 M H + oplossing,
die in evenwicht is met 1 atm H2 gas, toegevoegd. De elektroden zijn verbonden door middel van een
voltmeter en een agarbrug zorgt ervoor dat de ionen tussen de halfcellen heen en weer kunnen
stromen. De elektronen stromen vervolgens van de ene halfcel naar de andere halfcel door de draad
die de twee cellen verbindt, de elektronen gaan van de negatieve elektrode naar de positieve
elektrode.

Het reductiepotentiaal van het H+:H2 koppel is 0 volt, omdat die het referentie potentiaal is.




Figuur 1 Het meten van een redoxpotentiaal.



3

,Aan de hand van het redoxpotentiaal (E 0) kan bepaald worden welke kant een reactie in verloopt:
 Negatief redoxpotentiaal  Reductor staat makkelijker e– af dan H2.
 Positief redoxpotentiaal  Reductor staat minder makkelijk e– af dan H2.

Deze vergelijkingen refereren naar standaardomstandigheden, hierbij geldt:
 1 M oxidatiemiddel
 1 M reductiemiddel
 1 M H+
 1 atmosfeer H2

Vaak wordt er gerekend met E0’, hierbij gelden een aantal extra omstandigheden:
 pH = 7,0
 Temperatuur = 25°C ofwel 298K

Onderstaande formule kan gebruikt worden om de Gibbs vrije energie in J mol -1 uit te rekenen:
ΔG0’ = -n · F· ΔE0’

Hierbij geldt:
n = aantal e– (mol e– betrokken in de reactie)
F = constante van Faraday (96,48 103 C mol-1 = 96,48 kJ mol-1 V-1)

Functie van elektronendragers
De drijvende kracht van de oxidatieve fosforylering is het elektronenoverdrachtspotentiaal van
NADH of FADH2 t.o.v. die van O2. De energie die vrijkomt door de reductie van elke elektronendrager
genereert een protongradiënt die vervolgens gebruikt wordt voor de synthese van ATP en het
transport van metabolieten door het mitochondriale membraan. NADH wordt in een aantal
processen geproduceerd, namelijk:
 Glycolyse
 Bèta-oxidatie
 Citroenzuurcyclus (krebscyclus)
 Reactie van pyruvaat naar oxaloacetaat

NAD+ is hierbij de elektronenacceptor en NADH de elektronendonor. NADH is een cofactor en komt
dus niet via de voeding binnen. Hierdoor is de hoeveelheid van NAD + en NADH beperkt. De
overdracht van elektronen kan bewegingen van waterstofatomen veroorzaken.




Figuur 2 Beweging van protonen door elektronenoverdracht.


4

, Elektronentransportketen
De elektronentransportketen bestaat uit vier verschillende complexen (I, II, III en IV). Elk complex
bevat een ander redoxpotentiaal (E0’). De verschillende complexen vervullen verschillende functies:
 NADH-Q oxidoreductase (Complex I)  Hierbij wordt NADH geoxideerd en Q gereduceerd.
 Succinaat-Q reductase (Complex II)  Hierbij wordt succinaat geoxideerd tot fumaraat.
 Q-cytochroom C oxidoreductase (Complex III)  Hierbij wordt Q geoxideerd en cytochroom
C gereduceerd.
 Cytochroom C oxidase (Complex IV)  Hierbij wordt cytochroom C geoxideerd en O 2
gereduceerd.

Complex I, III en IV dienen als protonpomp. Voor complex II geldt dit niet.




Figuur 3 Schematische weergave van de elektronentransportketen.


De elektronentransportketen is zo gerangschikt, dat de elektronen altijd naar componenten met
positievere reductiepotentialen stromen
(een hogere elektronaffiniteit).




NADH-Q oxidoreductase
(Complex I)
De elektronen van NADH worden
afgegeven aan flavin mononucleotide
(FMN). Vervolgens gaan de elektronen
via een aantal ijzer-zwavel clusters naar
ubiquinon (Q). Hierdoor wordt Q negatief (Q 2–)
Figuur 4 Weergave van de vrije energie van de verschillende complexen uit de elektronentransportketen. 5