Hdst 1
Hoofdstuk I: Metabolisme
1. Wat is Metabolisme?
Definitie: Metabolisme is de stofwisseling, bestaande uit alle chemische
reacties waarbij energie wordt geproduceerd of verbruikt. Deze processen
zijn essentieel omdat cellulaire en organische functies, zoals
hersenactiviteit, spiercontractie, celgroei en celdeling, energie-input
vereisen en niet "gratis" plaatsgrijpen.
Metabolische routes: Deze kunnen lineair, cyclisch of vertakt zijn.
Hoofdtakken van Metabolisme:
o Katabolisme: Dit proces omvat het afbreken van complexe
moleculen (bijv. tot CO2 en H2O), vaak met verbruik van O2. Het
maakt chemische energie vrij (exergonisch) voor anabolisme en
arbeid (zoals spierbeweging, hersenactiviteit, celgroei/deling). Een
belangrijke uitkomst is de vorming van ATP en de transfer van
reducerende equivalenten naar NAD+ en NADP+, wat resulteert
in NADH en NADPH + H+.
o Anabolisme: Dit is het synthetiseren van complexe moleculen
(zoals eiwitten, lipiden en nucleïnezuren). Het is een endergonisch
proces dat energie verbruikt, afkomstig uit ATP of reducerende
equivalenten (NADPH).
Brandstofbronnen: De verhouding van nucleïnezuren (NZ), proteïnen en
lipiden als brandstofbronnen varieert per weefsel:
o Rode bloedcellen (erytrocyten) en zenuwweefsel gebruiken
enkel koolhydraten.
o De lever (vooral bij diabetici) kan lipiden metaboliseren bij een
tekort aan koolhydraten.
o Hart- en skeletspieren zetten energie uit katabole processen om
in mechanische energie.
2. Adenosinetrifosfaat (ATP) als Energiedrager
ATP is de universele drager van vrije energie.
Structuur en bindingen: De energie-rijke bindingen in ATP zijn de
fosfoanhydrische bindingen (beta en gamma). Deze bindingen hebben
een veel hogere standaard vrije energieverandering (ΔG°') bij splitsing (5-
15 kcal mol-1) dan fosfaat-ester bindingen (1-3 kcal mol-1, bijv. in glucose-
6-fosfaat). Belangrijk: Energierijk betekent niet stabiel.
Actieve vorm: ATP is altijd actief in combinatie met Mg2+.
Energie vrijgave: Door ATP-hydrolyse komt energie vrij.
, o ΔG (Vrije Energieverandering): Bepaalt of een reactie spontaan
is (exergonisch, ΔG < 0) of niet-spontaan (endergonisch, ΔG > 0).
ΔG bepaalt het reactie-evenwicht, niet de snelheid.
o ΔG°' (Standaard Vrije Energieverandering): Dit is de ΔG onder
gewijzigde standaardcondities (pH = 7, 25°C). Voor de hydrolyse
van ATP naar ADP + Pi, is de ΔG°' ongeveer -31 kJ/mol of -7,5
kcal/mol.
o Fysiologische ΔG: Dit is de actuele vrije energieverandering in
de cel, die afhankelijk is van de fysiologische concentraties van
ATP, ADP en Pi. In een spiercel is de fysiologische ΔG ongeveer -
54,5 kJ/mol of -12,5 kcal/mol, wat aanzienlijk hoger is dan de
standaard ΔG°'. Deze waarde varieert per weefsel.
Koppeling van reacties:
o In metabolische cascades zijn vrije energieveranderingen additief.
o Reacties met een positieve ΔG kunnen niet spontaan verlopen,
tenzij ze gekoppeld worden aan een andere reactie met een
negatieve ΔG, zodat de totale ΔG negatief is.
o Een veelvoorkomend voorbeeld is de koppeling van een
endergonische reactie aan de splitsing van ATP, wat de totale
reactie exergonisch maakt.
ATP is een drager, geen opslagmolecuul.
o Een rustend persoon recycleert dagelijks ongeveer 40 kg ATP, wat
neerkomt op 100-150 mol ATP die gehydrolyseerd wordt.
o Elke ATP-molecule wordt 1000-1500 keer per dag gerecycleerd
via processen zoals oxidatieve fosforylatie (en fotofosforylatie in
planten).
o De actieve karakter van ATP komt voort uit:
1. Elektrostatische afstoting van de geïoniseerde
fosfaatresten bij fysiologische pH.
2. Resonantie stabilisatie van de reactieproducten (ADP en
Pi), die meer resonantievormen hebben en daardoor stabieler
zijn dan ATP.
3. De vrijgestelde H+ bij ATP-hydrolyse wordt uit de reactie
verwijderd.
3. Andere Energierijke Verbindingen Naast ATP zijn er andere moleculen die
een fosfaatgroep kunnen afstaan aan ADP, vanwege hun hogere fosforyl-groep
transfer potentiaal. Voorbeelden zijn:
Enolfosfaten (bijv. fosfoënolpyruvaat).
Acylfosfaten.
Fosfoguanidinen (bijv. creatinefosfaat).
,4. De Energiestatus van de Cel
Metabolische reacties worden gecontroleerd door de energiestatus van
de cel.
De Energielading is een maat voor de cellulaire energievoorraad en
wordt berekend als: ([ATP] + 1/2 [ADP]) / ([ATP] + [ADP] + [AMP]).
Een energielading van 0 betekent dat alles AMP is; een waarde van 1
betekent dat alles ATP is. Meestal ligt de energielading tussen 0,8 en
0,95.
Regulatie: ATP-genererende paden worden geïnhibeerd door een hoge
energielading, terwijl ATP-consumerende paden worden gestimuleerd
door een hoge energielading (AXP's fungeren als allostere regulatoren).
5. Biochemische Oxidatie - Reductie
Inleiding: Metabole reacties omvatten vaak de transfer van
elektronen.
o Oxidatie = afgeven van elektronen.
o Reductie = opnemen van elektronen.
o Oxidatie en reductie zijn altijd aan elkaar gekoppeld
(redoxreacties).
o Biologische redoxreacties betreffen vaak het wegnemen of
toevoegen van H-atomen (proton + elektron).
o Voorbeeld: succinaat oxidatie naar fumaraat is het verlies van 2H+
+ 2e-, waarbij deze H+ en e- terechtkomen op FAD om FADH2 te
vormen.
Biochemische Elektronendragers:
o NAD+, NADP+, FAD zijn centrale elektronendragers.
o In aerobe organismen transfereren NADH en FADH2 elektronen naar
O2.
o Deze processen vormen de hoofdbron van ATP.
o Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+) / NADH:
NAD+ wordt bijna altijd gebruikt bij de generatie van ATP
(katabole reacties).
Het mechanisme omvat de oxidatie van een alcohol.
o Nicotinamide Adenine Dinucleotide Fosfaat (NADP+) /
NADPH:
NADP+ wordt bijna altijd gebruikt bij reductieve
biosynthese (anabole reacties).
Dit voorkomt interferentie tussen katabole en anabole
wegen. NADPH fungeert als elektronendonor.
, o Flavine Adenine Dinucleotide (FAD) / FADH2:
FAD is afgeleid van Vitamine B2 (Riboflavine).
Het isoalloxaanring is het reactieve deel.
FAD kan twee elektronen en twee protonen opnemen
(FADH2) of één elektron opnemen om een semichinon te
vormen.
FAD/FADH2 heeft een Eo' van ongeveer 0 V, waardoor het
geschikt is voor reacties waar NAD+ (-0,32 V) onvoldoende
vrije energieverandering zou opleveren om te reduceren (bijv.
de fumaraat-succinaat reactie).
6. Coënzym A als Universele Drager van Acylgroepen
Coënzyme A (CoA) is een complexe molecule met een panthothenaat
eenheid (vitamine B5) en een β-mercaptoethylamine eenheid.
Het bevat een thioësterbinding (R-C(O)-S-CoA), zoals in acetyl-CoA.
De hydrolyse van een thioëster is thermodynamisch gunstiger (ΔG°'
≈ -7,5 kcal/mol) dan die van een zuurstofester, wat Coënzyme A zeer
geschikt maakt voor acylgroep-transferreacties.
7. Componenten Betrokken bij Groep-transfer Reacties Naast ATP, NADH,
NADPH en Coënzyme A, zijn er andere belangrijke coënzymen:
Biotine: Draagt carboxylgroepen.
S-Adenosylmethionine: Draagt methylgroepen.
UDP-glucose: Draagt glucose.
8. Water-oplosbare Vitaminen → Coënzymen Veel water-oplosbare
vitaminen functioneren als coënzymen, die essentieel zijn voor enzymatische
reacties. Voorbeelden zijn:
Vitamine B1 (Thiamine).
Vitamine B2 (Riboflavine): Precursor van FAD.
Niacine (Nicotinezuur en Nicotinamide).
Vitamine B6 (Pyridoxine).
Pantotheenzuur: Een onderdeel van Coënzyme A.
Biotine.
Folaat (Foliumzuur).
Vitamine B12 (Cobalamine).
Vitamine C (Ascorbinezuur).
9. Vet-oplosbare Vitaminen (A, D, E en K) Deze vitaminen hebben diverse
belangrijke functies in het metabolisme:
Hoofdstuk I: Metabolisme
1. Wat is Metabolisme?
Definitie: Metabolisme is de stofwisseling, bestaande uit alle chemische
reacties waarbij energie wordt geproduceerd of verbruikt. Deze processen
zijn essentieel omdat cellulaire en organische functies, zoals
hersenactiviteit, spiercontractie, celgroei en celdeling, energie-input
vereisen en niet "gratis" plaatsgrijpen.
Metabolische routes: Deze kunnen lineair, cyclisch of vertakt zijn.
Hoofdtakken van Metabolisme:
o Katabolisme: Dit proces omvat het afbreken van complexe
moleculen (bijv. tot CO2 en H2O), vaak met verbruik van O2. Het
maakt chemische energie vrij (exergonisch) voor anabolisme en
arbeid (zoals spierbeweging, hersenactiviteit, celgroei/deling). Een
belangrijke uitkomst is de vorming van ATP en de transfer van
reducerende equivalenten naar NAD+ en NADP+, wat resulteert
in NADH en NADPH + H+.
o Anabolisme: Dit is het synthetiseren van complexe moleculen
(zoals eiwitten, lipiden en nucleïnezuren). Het is een endergonisch
proces dat energie verbruikt, afkomstig uit ATP of reducerende
equivalenten (NADPH).
Brandstofbronnen: De verhouding van nucleïnezuren (NZ), proteïnen en
lipiden als brandstofbronnen varieert per weefsel:
o Rode bloedcellen (erytrocyten) en zenuwweefsel gebruiken
enkel koolhydraten.
o De lever (vooral bij diabetici) kan lipiden metaboliseren bij een
tekort aan koolhydraten.
o Hart- en skeletspieren zetten energie uit katabole processen om
in mechanische energie.
2. Adenosinetrifosfaat (ATP) als Energiedrager
ATP is de universele drager van vrije energie.
Structuur en bindingen: De energie-rijke bindingen in ATP zijn de
fosfoanhydrische bindingen (beta en gamma). Deze bindingen hebben
een veel hogere standaard vrije energieverandering (ΔG°') bij splitsing (5-
15 kcal mol-1) dan fosfaat-ester bindingen (1-3 kcal mol-1, bijv. in glucose-
6-fosfaat). Belangrijk: Energierijk betekent niet stabiel.
Actieve vorm: ATP is altijd actief in combinatie met Mg2+.
Energie vrijgave: Door ATP-hydrolyse komt energie vrij.
, o ΔG (Vrije Energieverandering): Bepaalt of een reactie spontaan
is (exergonisch, ΔG < 0) of niet-spontaan (endergonisch, ΔG > 0).
ΔG bepaalt het reactie-evenwicht, niet de snelheid.
o ΔG°' (Standaard Vrije Energieverandering): Dit is de ΔG onder
gewijzigde standaardcondities (pH = 7, 25°C). Voor de hydrolyse
van ATP naar ADP + Pi, is de ΔG°' ongeveer -31 kJ/mol of -7,5
kcal/mol.
o Fysiologische ΔG: Dit is de actuele vrije energieverandering in
de cel, die afhankelijk is van de fysiologische concentraties van
ATP, ADP en Pi. In een spiercel is de fysiologische ΔG ongeveer -
54,5 kJ/mol of -12,5 kcal/mol, wat aanzienlijk hoger is dan de
standaard ΔG°'. Deze waarde varieert per weefsel.
Koppeling van reacties:
o In metabolische cascades zijn vrije energieveranderingen additief.
o Reacties met een positieve ΔG kunnen niet spontaan verlopen,
tenzij ze gekoppeld worden aan een andere reactie met een
negatieve ΔG, zodat de totale ΔG negatief is.
o Een veelvoorkomend voorbeeld is de koppeling van een
endergonische reactie aan de splitsing van ATP, wat de totale
reactie exergonisch maakt.
ATP is een drager, geen opslagmolecuul.
o Een rustend persoon recycleert dagelijks ongeveer 40 kg ATP, wat
neerkomt op 100-150 mol ATP die gehydrolyseerd wordt.
o Elke ATP-molecule wordt 1000-1500 keer per dag gerecycleerd
via processen zoals oxidatieve fosforylatie (en fotofosforylatie in
planten).
o De actieve karakter van ATP komt voort uit:
1. Elektrostatische afstoting van de geïoniseerde
fosfaatresten bij fysiologische pH.
2. Resonantie stabilisatie van de reactieproducten (ADP en
Pi), die meer resonantievormen hebben en daardoor stabieler
zijn dan ATP.
3. De vrijgestelde H+ bij ATP-hydrolyse wordt uit de reactie
verwijderd.
3. Andere Energierijke Verbindingen Naast ATP zijn er andere moleculen die
een fosfaatgroep kunnen afstaan aan ADP, vanwege hun hogere fosforyl-groep
transfer potentiaal. Voorbeelden zijn:
Enolfosfaten (bijv. fosfoënolpyruvaat).
Acylfosfaten.
Fosfoguanidinen (bijv. creatinefosfaat).
,4. De Energiestatus van de Cel
Metabolische reacties worden gecontroleerd door de energiestatus van
de cel.
De Energielading is een maat voor de cellulaire energievoorraad en
wordt berekend als: ([ATP] + 1/2 [ADP]) / ([ATP] + [ADP] + [AMP]).
Een energielading van 0 betekent dat alles AMP is; een waarde van 1
betekent dat alles ATP is. Meestal ligt de energielading tussen 0,8 en
0,95.
Regulatie: ATP-genererende paden worden geïnhibeerd door een hoge
energielading, terwijl ATP-consumerende paden worden gestimuleerd
door een hoge energielading (AXP's fungeren als allostere regulatoren).
5. Biochemische Oxidatie - Reductie
Inleiding: Metabole reacties omvatten vaak de transfer van
elektronen.
o Oxidatie = afgeven van elektronen.
o Reductie = opnemen van elektronen.
o Oxidatie en reductie zijn altijd aan elkaar gekoppeld
(redoxreacties).
o Biologische redoxreacties betreffen vaak het wegnemen of
toevoegen van H-atomen (proton + elektron).
o Voorbeeld: succinaat oxidatie naar fumaraat is het verlies van 2H+
+ 2e-, waarbij deze H+ en e- terechtkomen op FAD om FADH2 te
vormen.
Biochemische Elektronendragers:
o NAD+, NADP+, FAD zijn centrale elektronendragers.
o In aerobe organismen transfereren NADH en FADH2 elektronen naar
O2.
o Deze processen vormen de hoofdbron van ATP.
o Nicotinamide Adenine Dinucleotide (NAD+) / NADH:
NAD+ wordt bijna altijd gebruikt bij de generatie van ATP
(katabole reacties).
Het mechanisme omvat de oxidatie van een alcohol.
o Nicotinamide Adenine Dinucleotide Fosfaat (NADP+) /
NADPH:
NADP+ wordt bijna altijd gebruikt bij reductieve
biosynthese (anabole reacties).
Dit voorkomt interferentie tussen katabole en anabole
wegen. NADPH fungeert als elektronendonor.
, o Flavine Adenine Dinucleotide (FAD) / FADH2:
FAD is afgeleid van Vitamine B2 (Riboflavine).
Het isoalloxaanring is het reactieve deel.
FAD kan twee elektronen en twee protonen opnemen
(FADH2) of één elektron opnemen om een semichinon te
vormen.
FAD/FADH2 heeft een Eo' van ongeveer 0 V, waardoor het
geschikt is voor reacties waar NAD+ (-0,32 V) onvoldoende
vrije energieverandering zou opleveren om te reduceren (bijv.
de fumaraat-succinaat reactie).
6. Coënzym A als Universele Drager van Acylgroepen
Coënzyme A (CoA) is een complexe molecule met een panthothenaat
eenheid (vitamine B5) en een β-mercaptoethylamine eenheid.
Het bevat een thioësterbinding (R-C(O)-S-CoA), zoals in acetyl-CoA.
De hydrolyse van een thioëster is thermodynamisch gunstiger (ΔG°'
≈ -7,5 kcal/mol) dan die van een zuurstofester, wat Coënzyme A zeer
geschikt maakt voor acylgroep-transferreacties.
7. Componenten Betrokken bij Groep-transfer Reacties Naast ATP, NADH,
NADPH en Coënzyme A, zijn er andere belangrijke coënzymen:
Biotine: Draagt carboxylgroepen.
S-Adenosylmethionine: Draagt methylgroepen.
UDP-glucose: Draagt glucose.
8. Water-oplosbare Vitaminen → Coënzymen Veel water-oplosbare
vitaminen functioneren als coënzymen, die essentieel zijn voor enzymatische
reacties. Voorbeelden zijn:
Vitamine B1 (Thiamine).
Vitamine B2 (Riboflavine): Precursor van FAD.
Niacine (Nicotinezuur en Nicotinamide).
Vitamine B6 (Pyridoxine).
Pantotheenzuur: Een onderdeel van Coënzyme A.
Biotine.
Folaat (Foliumzuur).
Vitamine B12 (Cobalamine).
Vitamine C (Ascorbinezuur).
9. Vet-oplosbare Vitaminen (A, D, E en K) Deze vitaminen hebben diverse
belangrijke functies in het metabolisme:
