Metabolisme en metabole regeling
1.1 De energetische logica van het leven
1.1.1 Energieproductie en consumptie in het metabolisme
Energie:
- Info opslaan en tot expressie brengen
- Biosynthetische reacties
- Cel + celorganellen doen bewegen
- Onevenwicht met de buitenwereld onderhouden
1.1.1.1 Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
Concentratie van ionen/moleculen ≠ binnen en buiten de cel (als we dood zijn is de c hetzelfde)
Actief bepaalde stoffen naar binnen en buiten pompen
Vb. hemglobine/glucose constant in het lichaam omdat de synthese in balans is met de afbraak.
dynamische steady state: constante verhouding, kost E
1.1.1.2 Levende organismen zijn open systemen die energie en materie uit hun omgeving
transformeren
Systeem: alle aanwezige reagentia, producten en solvens, alles wat zich binnen een bepaalde regio
bevindt
Universum: systeem + omgeving
Geïsoleerd systeem: noch E, noch materie uitwisselen met de omgeving
Gesloten systeem: wisselt E uit met de omgeving
Open systeem: zowel E als materie uitwisselt met de omgeving
Levende organismen
- Nemen chemische brandstoffen op uit omgeving en extraheren E door te oxideren
- Absorberen E uit zonlicht (door thermonucleaire fusiereactie)
1. Extraheren E uit hun omgeving
2. Transformeren een deel in bruikbare vormen van E om arbeid te verrichten
3. Deel afgeven als warmte
4. Eindproductmoleculen vrijstellen die minder georganiseerd zijn dan startbrandstof
5. Gestegen orde in de vorm van complexe macrmoleculen
stijging S
daling Epot
1.1.1.3 Fotosynthese en respiratie
Fotosynthese: lichtenergie capteren en gebruiken om e - van H2O door te geven aan CO2
zetmeel/sucrose en vrijstelling van 02 in de atmosfeer // planten, algen, bacteriën
Respiratie: oxideren van energierijke fotosyntheseproducten en geven e - door aan 02
H2O en CO2 (+ andere producten) // levende organismen
,1.1.1.4 De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Molecule pikt e- op, automatisch op hetzelfde moment een p +
A + e- + H+ AH = hydrogeneringsreacties reductie (aantal C-H bindingen stijgt)
Bergwaartse flow van e-
- Hoog naar laag elektrochemische potentiaal (batterij aangedreven ciruit)
Oxido-reductiereactie = elektronenflow
1.1.1.5 Energetische koppeling verbindt reactie met elkaar
Object op de top bezit Epot, het hangt vast aan een katrol met een kleiner voorwerp.
Voorwerp gaat naar beneden en levert hierbij arbeid door het opheffen van het kleine voorwerp.
E die gebruikt wordt als W: altijd kleiner dan theoretische E pot, een deel gaat verloren als warmte.
Exergone reactie (energievrijstellende) drijft endergone reactie (energievergende) aan.
Chemische reacties zijn spontaan in een gesloten systeem tot het evenwicht.
1.1.1.6 Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP,NADH)
Geactiveerde carriers
- Stockeren E
- Transfereerbare groep
- Hoge-energie-elektronen
- Bron
- E
- Chemische groepen voor biosynthese reactie
Geactiveerde carrier Groep in hoog energetische binding dragen
ATP Fosfaat
NADH, NADPH, FADH2 e- en H+
Acetyl CoA Acetyl groep
Gecarboxyleerde biotine Carboxyl groep
s-Adenosylmethionine Methyl groep
Uridine difosfaat glucose glucose
Gekoppelde reacties = energetische gunstige reactie wordt gebruikt om een energetische ongunstige
reactie, die een geactiveerde carrier maakt, aan te drijven.
Vb. vallende steen op wiel aan emmer: minder warmte komt vrij, E in geactiveerde carrier voor later.
,1.1.1.7 Enzymen bevorderen ketens van reacties
Energiebarrière = activeringsbarrière
buigen van de bestaande binding = transitietoestand met hogere vrij E dan reagens en producht
Activeringsenergie: E nodig om over de energiebarrière te gaan
verwarmen: Ekin stijgt, frequentie botsingen stijgt MAAR onmogelijk want hebben een constante T
Enzymen = biokatalysatoren, verhogen de snelheid zonder zelf te verbruiken + lagere energiebarrière
Bindingseffecten: 2 reagentia op stereospecifieke manier aan het opp binden
wss binden stijgt : nabijheids- en oriëntatie-effect (worden al gevormd richting TT, E act daalt, orde)
- Active site: waar substraat bindt
- Pathways: keten reacties waarbij product v/e reactie het reagens wordt v/d volgende
- Anabool: aanmaak reactie (E ongunstig) vb. eiwitten
- Katabool: afbrekende reactie (E gunstig) vb. degraderen om E eruit te halen
ATP = link tussen anabole en katabole pathways
Gehele netwerk van door enzym gekatalyseerde pathways = METABOLISME
Metabole katalysten = eiwitten
1.1.1.8 Metabolisme wordt geregeld om balans en zuinigheid te bevorderen
Juiste c: alleen aanmaken wat nodig is, taak van sleutelenzymen voor precursormoleculen
Te veel c, er komt negatieve feedback en remt het enzym om zo in dynamisch steady state te blijven
1.2 Thermodynamische basisprincipes van de bio-energetica
1.2.1 Waarom thermodynamica bestuderen?
Het ‘leven’ beter begrijpen.
1.2.2 Biologische energieomzettingen gehoorzamen de wetten van de thermodynamica
1.2.2.2 Thermodynamische situering van het leven
Levende wezens verschillen van dode materie
creëren orde in een universum met toenemende wanorde
- Aanhoudende stroom = biosynthese
- Atomen
- Energie
Reactie op T die veel hoger ligt dan gangbare T in de cel bevorderd door enzymen
, 1.2.2.3 Biologische orde en de tweede wet van de thermodynamica
De wanorde van het universum in elk geïsoleerd systeem kan alleen toenemen.
Systemen zullen spontaan veranderen naar die schikking die het waarschijnlijkst zijn.
Systemen zullen spontaan evolueren naar die schikking met de grootste entropie.
Cel neemt E op uit de omgeving in de vorm van voedsel of licht orde binnenin de cel
Warmte komt vrij en wordt aan de omgeving gegeven wanorde in de omgeving
Totale entropie stijgt
Warmte = E in haar wanordelijkste vorm doordat moleculaire bewegen stijgen
Wanorde stijgt wanneer E die gebruikt had kunnen worden voor arbeid verloren gaat als warmte.
1.2.2.4 Biologische energieomzettingen en de eerste wet van de thermodynamica
E kan omgezet worden v/d ene vorm naar de andere maar kan niet worden geschapen of vernietigd.
Energieomzetting i.p.v. productie
1.2.2.5 Vrije energie – een hypothetisch begrip maar een zeer nuttig hulpmiddel
2e wet
- Niet nuttig want wij zijn een open systeem
- Energieveranderingen
Richting van thermodynamisch gunstig proces bepalen
- Entropieveranderingen
Gibbs vrije energie
- Enthalpie (H): energieverandering bij constante druk
- Entropie (S): wanordevorming
- ΔG = ΔH – TΔS
- ΔH neg: veel warmte komt vrij (breken van bindingen) (exotherm)
- ΔS pos: veel wanorde
- ΔG < 0 = spontaan proces
- Toestandsfunctie: toestand niet zelf meten, maar wel de verandering
Vrije energie en arbeid
- Vrije energie: E die beschikbaar is voor het verrichten van arbeid
- Gesloten systeem spontaan bij nettostijging wanorde v/h universum (E verloren aan warmte)
- E door vibratie, rotatie en translatie opgeslagen in bindingen tussen afzonderlijke moleculen
1.1 De energetische logica van het leven
1.1.1 Energieproductie en consumptie in het metabolisme
Energie:
- Info opslaan en tot expressie brengen
- Biosynthetische reacties
- Cel + celorganellen doen bewegen
- Onevenwicht met de buitenwereld onderhouden
1.1.1.1 Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
Concentratie van ionen/moleculen ≠ binnen en buiten de cel (als we dood zijn is de c hetzelfde)
Actief bepaalde stoffen naar binnen en buiten pompen
Vb. hemglobine/glucose constant in het lichaam omdat de synthese in balans is met de afbraak.
dynamische steady state: constante verhouding, kost E
1.1.1.2 Levende organismen zijn open systemen die energie en materie uit hun omgeving
transformeren
Systeem: alle aanwezige reagentia, producten en solvens, alles wat zich binnen een bepaalde regio
bevindt
Universum: systeem + omgeving
Geïsoleerd systeem: noch E, noch materie uitwisselen met de omgeving
Gesloten systeem: wisselt E uit met de omgeving
Open systeem: zowel E als materie uitwisselt met de omgeving
Levende organismen
- Nemen chemische brandstoffen op uit omgeving en extraheren E door te oxideren
- Absorberen E uit zonlicht (door thermonucleaire fusiereactie)
1. Extraheren E uit hun omgeving
2. Transformeren een deel in bruikbare vormen van E om arbeid te verrichten
3. Deel afgeven als warmte
4. Eindproductmoleculen vrijstellen die minder georganiseerd zijn dan startbrandstof
5. Gestegen orde in de vorm van complexe macrmoleculen
stijging S
daling Epot
1.1.1.3 Fotosynthese en respiratie
Fotosynthese: lichtenergie capteren en gebruiken om e - van H2O door te geven aan CO2
zetmeel/sucrose en vrijstelling van 02 in de atmosfeer // planten, algen, bacteriën
Respiratie: oxideren van energierijke fotosyntheseproducten en geven e - door aan 02
H2O en CO2 (+ andere producten) // levende organismen
,1.1.1.4 De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Molecule pikt e- op, automatisch op hetzelfde moment een p +
A + e- + H+ AH = hydrogeneringsreacties reductie (aantal C-H bindingen stijgt)
Bergwaartse flow van e-
- Hoog naar laag elektrochemische potentiaal (batterij aangedreven ciruit)
Oxido-reductiereactie = elektronenflow
1.1.1.5 Energetische koppeling verbindt reactie met elkaar
Object op de top bezit Epot, het hangt vast aan een katrol met een kleiner voorwerp.
Voorwerp gaat naar beneden en levert hierbij arbeid door het opheffen van het kleine voorwerp.
E die gebruikt wordt als W: altijd kleiner dan theoretische E pot, een deel gaat verloren als warmte.
Exergone reactie (energievrijstellende) drijft endergone reactie (energievergende) aan.
Chemische reacties zijn spontaan in een gesloten systeem tot het evenwicht.
1.1.1.6 Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP,NADH)
Geactiveerde carriers
- Stockeren E
- Transfereerbare groep
- Hoge-energie-elektronen
- Bron
- E
- Chemische groepen voor biosynthese reactie
Geactiveerde carrier Groep in hoog energetische binding dragen
ATP Fosfaat
NADH, NADPH, FADH2 e- en H+
Acetyl CoA Acetyl groep
Gecarboxyleerde biotine Carboxyl groep
s-Adenosylmethionine Methyl groep
Uridine difosfaat glucose glucose
Gekoppelde reacties = energetische gunstige reactie wordt gebruikt om een energetische ongunstige
reactie, die een geactiveerde carrier maakt, aan te drijven.
Vb. vallende steen op wiel aan emmer: minder warmte komt vrij, E in geactiveerde carrier voor later.
,1.1.1.7 Enzymen bevorderen ketens van reacties
Energiebarrière = activeringsbarrière
buigen van de bestaande binding = transitietoestand met hogere vrij E dan reagens en producht
Activeringsenergie: E nodig om over de energiebarrière te gaan
verwarmen: Ekin stijgt, frequentie botsingen stijgt MAAR onmogelijk want hebben een constante T
Enzymen = biokatalysatoren, verhogen de snelheid zonder zelf te verbruiken + lagere energiebarrière
Bindingseffecten: 2 reagentia op stereospecifieke manier aan het opp binden
wss binden stijgt : nabijheids- en oriëntatie-effect (worden al gevormd richting TT, E act daalt, orde)
- Active site: waar substraat bindt
- Pathways: keten reacties waarbij product v/e reactie het reagens wordt v/d volgende
- Anabool: aanmaak reactie (E ongunstig) vb. eiwitten
- Katabool: afbrekende reactie (E gunstig) vb. degraderen om E eruit te halen
ATP = link tussen anabole en katabole pathways
Gehele netwerk van door enzym gekatalyseerde pathways = METABOLISME
Metabole katalysten = eiwitten
1.1.1.8 Metabolisme wordt geregeld om balans en zuinigheid te bevorderen
Juiste c: alleen aanmaken wat nodig is, taak van sleutelenzymen voor precursormoleculen
Te veel c, er komt negatieve feedback en remt het enzym om zo in dynamisch steady state te blijven
1.2 Thermodynamische basisprincipes van de bio-energetica
1.2.1 Waarom thermodynamica bestuderen?
Het ‘leven’ beter begrijpen.
1.2.2 Biologische energieomzettingen gehoorzamen de wetten van de thermodynamica
1.2.2.2 Thermodynamische situering van het leven
Levende wezens verschillen van dode materie
creëren orde in een universum met toenemende wanorde
- Aanhoudende stroom = biosynthese
- Atomen
- Energie
Reactie op T die veel hoger ligt dan gangbare T in de cel bevorderd door enzymen
, 1.2.2.3 Biologische orde en de tweede wet van de thermodynamica
De wanorde van het universum in elk geïsoleerd systeem kan alleen toenemen.
Systemen zullen spontaan veranderen naar die schikking die het waarschijnlijkst zijn.
Systemen zullen spontaan evolueren naar die schikking met de grootste entropie.
Cel neemt E op uit de omgeving in de vorm van voedsel of licht orde binnenin de cel
Warmte komt vrij en wordt aan de omgeving gegeven wanorde in de omgeving
Totale entropie stijgt
Warmte = E in haar wanordelijkste vorm doordat moleculaire bewegen stijgen
Wanorde stijgt wanneer E die gebruikt had kunnen worden voor arbeid verloren gaat als warmte.
1.2.2.4 Biologische energieomzettingen en de eerste wet van de thermodynamica
E kan omgezet worden v/d ene vorm naar de andere maar kan niet worden geschapen of vernietigd.
Energieomzetting i.p.v. productie
1.2.2.5 Vrije energie – een hypothetisch begrip maar een zeer nuttig hulpmiddel
2e wet
- Niet nuttig want wij zijn een open systeem
- Energieveranderingen
Richting van thermodynamisch gunstig proces bepalen
- Entropieveranderingen
Gibbs vrije energie
- Enthalpie (H): energieverandering bij constante druk
- Entropie (S): wanordevorming
- ΔG = ΔH – TΔS
- ΔH neg: veel warmte komt vrij (breken van bindingen) (exotherm)
- ΔS pos: veel wanorde
- ΔG < 0 = spontaan proces
- Toestandsfunctie: toestand niet zelf meten, maar wel de verandering
Vrije energie en arbeid
- Vrije energie: E die beschikbaar is voor het verrichten van arbeid
- Gesloten systeem spontaan bij nettostijging wanorde v/h universum (E verloren aan warmte)
- E door vibratie, rotatie en translatie opgeslagen in bindingen tussen afzonderlijke moleculen
