H1: BIO-ENERGETICA
1.1 DE ENERGETISCHE LOGICA VAN HET LEVEN
De cel heeft energie nodig omdat
- Ze informatie moet kunnen opslaan en die tot expressie kunnen brengen
- Ze biosynthetische reacties moet uitvoeren
- Ze een gehele cel (of celorganellen moet laten bewegen)
- Ze een onevenwicht met de buitenwereld moet onderhouden
Opbouw en afbraak moet constant blijven dat kan door continue reacties die ENERGIE
kosten.= dynamische steady state
Organische organismen halen energie uit omgeving door
- Chemische brandstoffen op te nemen en er energie uithalen door ze te oxideren
- Energie uit zonlicht te halen
Tijdens energieomzettingen daalt de potentiële energie en stijgt de wanorde
Organismen:
- Halen energie uit de omgeving
- Zetten die om in bruikbare vormen voor arbeid te verrichten
- Deel ervan gaat verloren in omgeving als warmte
- Stellen eindproductmoleculen op waardoor wanorde(entropie) stijgt
- Vormen complexe macromoleculen waardoor orde weer toeneemt.
Niet fotosynthetische organismen oxideren de energierijke fotosyntheseproducten en
geven e- af aan O2 (respiratie)
Hydrogeneringsreacties(+H2) = reducties (C-Hbind ↑) dehydrogeneringsreacties=
oxidaties (C-H ↓)
Cel oxideert in lange reeks van reacties meer energie uithalen
Vrije energie zal altijd kleiner zijn dan potentiele energie want deel gaat altijd verloren als
warmte
Chemische reacties kunnen zo worden gekoppeld dat energievrijstellende (exergone)
reacties energievergende (endergone) reacties aandrijft
De energie die werd vrijgesteld door oxidatie van voedselmolecule kan tijdelijk in
geactiveerde carriermoleculen (ATP, NAD(P)H) worden opgeslagen als transfereerbare
groep OF hoge-energie-elektronen. De vorming van geactiveerde carrier(=energetisch
ongunstige reactie) wordt gekoppeld aan energetisch gunstige reactie
Transitietoestand= toestand met hogere vrije energie dan reagens of product
,Enzymen= biokatalysten die de reactie versnellen zonder zelf verbruikt te worden
(verlaagt de energiebarriere). Versnellen reactie via bindingseffecten= 2 reagentia
binden aan enzymoppervlak waardoor de waarschijnlijkheid van reageren wordt verhoogd
en ervaren verandering in moleculaire vorm waardoor activeringsenergie wordt verlaagd.
Substraat bindt aan de ‘actieve site’
Sleutelenzymen worden zo geregeld dat er enkel hoeveelheid molecule word
geproduceerd waar er nood aan is
Synthese van enzymen worden geregeld door genexpressie
1.1 THERMODYNAMISCHE BASISPRINCIPES VAN DE BIO-ENERGETICA
Cellen creëren en handhaven orde in een universum met steeds toenemende wanorde,
om deze orde te scheppen is er een aanhoudende stroom van reacties nodig die energie
vereisen en die bevorderd moeten worden door enzymen.(verlagen de EA)
Tweede wet van de thermodynamica
- De wanorde van het universum kan alleen maar toenemen OF
- Systemen zullen spontaan veranderen naar schikkingen die het meest
waarschijnlijk zijn OF
- Systemen zullen spontaan evolueren naar schikkingen met de grootste entropie
Cel neemt energie op in omgeving en gebruikt die om orde te scheppen binnenin de cel,
tijdens het verloop van die reacties komt er warmte vrij = meer wanorde
Eerste wet van de thermodynamica: energie kan worden omgezet van de ene vorm
naar de andere, maar energie wordt niet geschapen of vernietigd
Zowel energieveranderingen en entropieverandering zijn belangrijk voor het bepalen van
de richting van een thermodynamisch gunstig proces
G = H – TS ∆G = ∆H - T∆S
Vrije Gibbs energie= energie die vrij beschikbaar is voor het verrichten van nuttige arbeid
- H=hoog veel warmte toevoegen om bindingen te kunnen breken
(bindingen=energierijk)
- ∆H neg veel warmte komt vrij
- Wanorde stijgt als energie verloren gaat als warmte
Moleculen bezitten energie door
- Rotaties, translaties, vibraties
- Energie opgeslagen in bindingen
Cel veroorzaakt wanorde door
- Veranderingen in bindingsenergie waardoor warmte wordt vrijgesteld
, - Lange keten af te breken
- Als energie verloren gaat als warmte
Energetisch gunstige reacties (spontane reacties) zijn reacties waarbij er een daling is
van vrije energie. Vrije energie is nuttig voor het voorspellen van verloop van een reactie
De standaard vrije-energieverandering ∆G0 : concentratieonafhankelijke: ∆G = ∆G0 +
0.616 ln([B]/[A])
∆G wordt negatiever als B/A kleiner wordt, ∆G=0 bij evenwicht
Energetisch ongunstige reacties worden mogelijk gemaakt doordat ze gekoppeld worden
aan energetisch gunstige hydrolysereactie van ATP
Hoge bindingsenergie= hoge energiebinding= negatieve ∆G0 ( ∆G0 voor hydrolyse=
‘bindingsenergie’)
Heterotrofe cellen zetten hun vrije energie(afkomstig van voedselmoleculen) om tot ATP
en ATP geeft zijn energie aan endergone processen (vb transport van molecule doorheen
membraan tegen ionen gradiënt)
1.1 FOSFORYLGROEPTRANSFERS EN ATP
p26 energieomzettingen
∆G hydrolyse van ATP is groot en negatief
- Verwijdert 1 vd 3 fosfaten vermindert elektrostatische afstoting binnen ATP
- In Pi wordt een resonantiehybride gevormd
- ADP2- dat werd gevormd ioniseert tot ADP3- (vrijstelling H+)
- Pi en ADP zijn beter gehydrateerd dan ATP = betere stabilisatie eindproducten
- Grootte Ea zegt NIETS over ∆G (energetisch gunstigheid)
- Grote activeringsenergie nodig
Hydrolyse= ∆G0= -30kJ/mol (concentraties ADP en P veel lager) werkelijkheid: ∆G= -
50-65 kJ/mol
- PEP fosfo-enolpyruvaat (hydrolyse)pyruvaat in enolvorm (tautomerisatie)
pyruvaat(ketonvorm)=stabieler ∆G0 = -62kJ/mol
- 1,3 bifosfoglyceraat (hydrolyse) 3phosfoglycerine zuur (directe afsplitsing
H+ ) 3 fosfoglyceraat ∆G 0 = -50kJ/mol
- Fosfocreatine (hydrolyse)creatine (afsplitsing P en resonantiestabilisatie
bevordert de voorwaartse reactie ∆G 0 = -43 kJ/mol
- Thioesters ondergaan minder resonantiestabilisatie dan zuurstofesters. Thio-esters
(acetyl-CoA) hebben hogere vrije energie inhoud (orbitaaloverlap S-C is zwakker),
niet zo stabiel
Hoge energieverbindingen: ∆G0 negatiever dan -25kJ/mol lage energieverbindingen:
minder neg
, Fosfaattransferpotentiaal hoog: meer energie vrijstelt dan deze nodig heeft (PEP)
ATP kan energie overdragen van hoge energieverbindingen
ATP levert energie door groepstransfers (ATP-hydrolyse zorgt enkel voor vrijstelling van
warmte)
ATP molecule wordt getransfereerd naar substraatmolecule waardoor dit deel van
ATP gebonden wordt aan enzym en daardoor vrije energie inhoud verhoogt en
daarna wordt de fosfaatbevattende groep van ATP verplaatst
1.1 BIOLOGISCHE REDOXREACTIES
De flow van elektronen in redoxreacties is verantwoordelijk voor alle arbeid geleverd door
levende organismen. e- bewegen van verschillende metabole intermediairen naar
gespecialiseerde elektroncarriers in enzymgekatalyseerde reacties, de carriers geven e-
af aan acceptoren met hogere elektronenaffiniteit (=exergoon) met vrijstelling van
energie. Energietransducers zetten energie uit e- flow om naar arbeid. De ‘electron
motive force’ (verschil in elektronenaffiniteit) kan arbeid verrichten indien er een
energie transducer is
Flow is exergoon omdat O2 hogere elektronenaffiniteit heeft (O2 als acceptor)
ATP-synthase gebruikt de ‘proton motive force’ om chemische arbeid te verrichten
Meest elektronegatieve element ‘bezit’ de bindingselektronen. Oxidatie (verlies van e-)=
dehydrogenering (verlies van waterstof?)
Cellulaire oxidatie van glucose tot co2 vereist gespecialiseerde elektroncarriers
- Oxidatie van glucose levert de energie voor productie van ATP
- Cellen zetten glucose om in co2 in reeks van gecontroleerde reacties (waaronder
oxidaties en die e- worden vervoerd naar NAD FAD+ (=co-enzymen)
Aantal co-enzymen en eiwitten fungeren als universele elektroncarriers
- Enzymen die oxidaties katalyseren vervoeren e- van substraat naar klein aantal
elektroncarriers
- [NAD+ en NADP+ (kunnen bewegen van ene enzym naar andere= elektroncarrier
van ene substraat naar andere) , FMN en FAD (sterk gebonden aan enzym) ] =co-
enzymen in elektrontransferreacties
- Vetoplosbare quinonen (ubiquinonen en plastoquinonen) = elektroncarriers en
protondonors in membranen
- Ijzer-zwavel proteinen en cytochromen zijn stevig gebonden aan prosthetische
groepen 2
NADH EN NADPH werken met dehydrogenasen als oplosbare elektroncarriers
- NAD+ = nicotinamideadeninedinucleotide en NADP+ =
nicotinamideadeninenucleotidefosfaat bestaan uit 2 nucleotide waarvan hun
fosfaten verbonden zijn door fosfoanhybridebinding. Andere benaming is
Pyridinenucleotiden , vitamine niacine is bron voor nicotinamidedeel
1.1 DE ENERGETISCHE LOGICA VAN HET LEVEN
De cel heeft energie nodig omdat
- Ze informatie moet kunnen opslaan en die tot expressie kunnen brengen
- Ze biosynthetische reacties moet uitvoeren
- Ze een gehele cel (of celorganellen moet laten bewegen)
- Ze een onevenwicht met de buitenwereld moet onderhouden
Opbouw en afbraak moet constant blijven dat kan door continue reacties die ENERGIE
kosten.= dynamische steady state
Organische organismen halen energie uit omgeving door
- Chemische brandstoffen op te nemen en er energie uithalen door ze te oxideren
- Energie uit zonlicht te halen
Tijdens energieomzettingen daalt de potentiële energie en stijgt de wanorde
Organismen:
- Halen energie uit de omgeving
- Zetten die om in bruikbare vormen voor arbeid te verrichten
- Deel ervan gaat verloren in omgeving als warmte
- Stellen eindproductmoleculen op waardoor wanorde(entropie) stijgt
- Vormen complexe macromoleculen waardoor orde weer toeneemt.
Niet fotosynthetische organismen oxideren de energierijke fotosyntheseproducten en
geven e- af aan O2 (respiratie)
Hydrogeneringsreacties(+H2) = reducties (C-Hbind ↑) dehydrogeneringsreacties=
oxidaties (C-H ↓)
Cel oxideert in lange reeks van reacties meer energie uithalen
Vrije energie zal altijd kleiner zijn dan potentiele energie want deel gaat altijd verloren als
warmte
Chemische reacties kunnen zo worden gekoppeld dat energievrijstellende (exergone)
reacties energievergende (endergone) reacties aandrijft
De energie die werd vrijgesteld door oxidatie van voedselmolecule kan tijdelijk in
geactiveerde carriermoleculen (ATP, NAD(P)H) worden opgeslagen als transfereerbare
groep OF hoge-energie-elektronen. De vorming van geactiveerde carrier(=energetisch
ongunstige reactie) wordt gekoppeld aan energetisch gunstige reactie
Transitietoestand= toestand met hogere vrije energie dan reagens of product
,Enzymen= biokatalysten die de reactie versnellen zonder zelf verbruikt te worden
(verlaagt de energiebarriere). Versnellen reactie via bindingseffecten= 2 reagentia
binden aan enzymoppervlak waardoor de waarschijnlijkheid van reageren wordt verhoogd
en ervaren verandering in moleculaire vorm waardoor activeringsenergie wordt verlaagd.
Substraat bindt aan de ‘actieve site’
Sleutelenzymen worden zo geregeld dat er enkel hoeveelheid molecule word
geproduceerd waar er nood aan is
Synthese van enzymen worden geregeld door genexpressie
1.1 THERMODYNAMISCHE BASISPRINCIPES VAN DE BIO-ENERGETICA
Cellen creëren en handhaven orde in een universum met steeds toenemende wanorde,
om deze orde te scheppen is er een aanhoudende stroom van reacties nodig die energie
vereisen en die bevorderd moeten worden door enzymen.(verlagen de EA)
Tweede wet van de thermodynamica
- De wanorde van het universum kan alleen maar toenemen OF
- Systemen zullen spontaan veranderen naar schikkingen die het meest
waarschijnlijk zijn OF
- Systemen zullen spontaan evolueren naar schikkingen met de grootste entropie
Cel neemt energie op in omgeving en gebruikt die om orde te scheppen binnenin de cel,
tijdens het verloop van die reacties komt er warmte vrij = meer wanorde
Eerste wet van de thermodynamica: energie kan worden omgezet van de ene vorm
naar de andere, maar energie wordt niet geschapen of vernietigd
Zowel energieveranderingen en entropieverandering zijn belangrijk voor het bepalen van
de richting van een thermodynamisch gunstig proces
G = H – TS ∆G = ∆H - T∆S
Vrije Gibbs energie= energie die vrij beschikbaar is voor het verrichten van nuttige arbeid
- H=hoog veel warmte toevoegen om bindingen te kunnen breken
(bindingen=energierijk)
- ∆H neg veel warmte komt vrij
- Wanorde stijgt als energie verloren gaat als warmte
Moleculen bezitten energie door
- Rotaties, translaties, vibraties
- Energie opgeslagen in bindingen
Cel veroorzaakt wanorde door
- Veranderingen in bindingsenergie waardoor warmte wordt vrijgesteld
, - Lange keten af te breken
- Als energie verloren gaat als warmte
Energetisch gunstige reacties (spontane reacties) zijn reacties waarbij er een daling is
van vrije energie. Vrije energie is nuttig voor het voorspellen van verloop van een reactie
De standaard vrije-energieverandering ∆G0 : concentratieonafhankelijke: ∆G = ∆G0 +
0.616 ln([B]/[A])
∆G wordt negatiever als B/A kleiner wordt, ∆G=0 bij evenwicht
Energetisch ongunstige reacties worden mogelijk gemaakt doordat ze gekoppeld worden
aan energetisch gunstige hydrolysereactie van ATP
Hoge bindingsenergie= hoge energiebinding= negatieve ∆G0 ( ∆G0 voor hydrolyse=
‘bindingsenergie’)
Heterotrofe cellen zetten hun vrije energie(afkomstig van voedselmoleculen) om tot ATP
en ATP geeft zijn energie aan endergone processen (vb transport van molecule doorheen
membraan tegen ionen gradiënt)
1.1 FOSFORYLGROEPTRANSFERS EN ATP
p26 energieomzettingen
∆G hydrolyse van ATP is groot en negatief
- Verwijdert 1 vd 3 fosfaten vermindert elektrostatische afstoting binnen ATP
- In Pi wordt een resonantiehybride gevormd
- ADP2- dat werd gevormd ioniseert tot ADP3- (vrijstelling H+)
- Pi en ADP zijn beter gehydrateerd dan ATP = betere stabilisatie eindproducten
- Grootte Ea zegt NIETS over ∆G (energetisch gunstigheid)
- Grote activeringsenergie nodig
Hydrolyse= ∆G0= -30kJ/mol (concentraties ADP en P veel lager) werkelijkheid: ∆G= -
50-65 kJ/mol
- PEP fosfo-enolpyruvaat (hydrolyse)pyruvaat in enolvorm (tautomerisatie)
pyruvaat(ketonvorm)=stabieler ∆G0 = -62kJ/mol
- 1,3 bifosfoglyceraat (hydrolyse) 3phosfoglycerine zuur (directe afsplitsing
H+ ) 3 fosfoglyceraat ∆G 0 = -50kJ/mol
- Fosfocreatine (hydrolyse)creatine (afsplitsing P en resonantiestabilisatie
bevordert de voorwaartse reactie ∆G 0 = -43 kJ/mol
- Thioesters ondergaan minder resonantiestabilisatie dan zuurstofesters. Thio-esters
(acetyl-CoA) hebben hogere vrije energie inhoud (orbitaaloverlap S-C is zwakker),
niet zo stabiel
Hoge energieverbindingen: ∆G0 negatiever dan -25kJ/mol lage energieverbindingen:
minder neg
, Fosfaattransferpotentiaal hoog: meer energie vrijstelt dan deze nodig heeft (PEP)
ATP kan energie overdragen van hoge energieverbindingen
ATP levert energie door groepstransfers (ATP-hydrolyse zorgt enkel voor vrijstelling van
warmte)
ATP molecule wordt getransfereerd naar substraatmolecule waardoor dit deel van
ATP gebonden wordt aan enzym en daardoor vrije energie inhoud verhoogt en
daarna wordt de fosfaatbevattende groep van ATP verplaatst
1.1 BIOLOGISCHE REDOXREACTIES
De flow van elektronen in redoxreacties is verantwoordelijk voor alle arbeid geleverd door
levende organismen. e- bewegen van verschillende metabole intermediairen naar
gespecialiseerde elektroncarriers in enzymgekatalyseerde reacties, de carriers geven e-
af aan acceptoren met hogere elektronenaffiniteit (=exergoon) met vrijstelling van
energie. Energietransducers zetten energie uit e- flow om naar arbeid. De ‘electron
motive force’ (verschil in elektronenaffiniteit) kan arbeid verrichten indien er een
energie transducer is
Flow is exergoon omdat O2 hogere elektronenaffiniteit heeft (O2 als acceptor)
ATP-synthase gebruikt de ‘proton motive force’ om chemische arbeid te verrichten
Meest elektronegatieve element ‘bezit’ de bindingselektronen. Oxidatie (verlies van e-)=
dehydrogenering (verlies van waterstof?)
Cellulaire oxidatie van glucose tot co2 vereist gespecialiseerde elektroncarriers
- Oxidatie van glucose levert de energie voor productie van ATP
- Cellen zetten glucose om in co2 in reeks van gecontroleerde reacties (waaronder
oxidaties en die e- worden vervoerd naar NAD FAD+ (=co-enzymen)
Aantal co-enzymen en eiwitten fungeren als universele elektroncarriers
- Enzymen die oxidaties katalyseren vervoeren e- van substraat naar klein aantal
elektroncarriers
- [NAD+ en NADP+ (kunnen bewegen van ene enzym naar andere= elektroncarrier
van ene substraat naar andere) , FMN en FAD (sterk gebonden aan enzym) ] =co-
enzymen in elektrontransferreacties
- Vetoplosbare quinonen (ubiquinonen en plastoquinonen) = elektroncarriers en
protondonors in membranen
- Ijzer-zwavel proteinen en cytochromen zijn stevig gebonden aan prosthetische
groepen 2
NADH EN NADPH werken met dehydrogenasen als oplosbare elektroncarriers
- NAD+ = nicotinamideadeninedinucleotide en NADP+ =
nicotinamideadeninenucleotidefosfaat bestaan uit 2 nucleotide waarvan hun
fosfaten verbonden zijn door fosfoanhybridebinding. Andere benaming is
Pyridinenucleotiden , vitamine niacine is bron voor nicotinamidedeel
