Samenvatting Metabolisme en metabole regeling

Metabolisme en metabole regeling – 1 e bach farmaceutische wetenschappen 2016-2017


HFDTS 1: BIO-ENERGETICA

1. Energetische logica van het leven: Energieproductie en consumptie in het
metabolisme

1.1 Energie is nodig in de cel om

 Informatie op te slaan en tot expressie te brengen
 Biosynthetische reacties
 Beweging van de cel of in de cel
 Onevenwicht met buitenwereld onderhouden

1.2 Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving

 Concentraties van moleculen en ionen
 Dynamische steady state (bv. hemoglobine in bloed constant opgenomen en
gesynthetiseerd, maar ook constant afgebroken)

1.3 Organismen: open systemen die E en materie uit de omgeving
transformeren

 Geïsoleerd systeem: Geen E of materie uitwisselen
Gesloten systeem: Enkel E uitwisselen met omgeving
Open systeem: E en materie met omgeving uitwisselen
 Chemische brandstoffen opnemen + oxidatie tot E
OF energie uit zonlicht absorberen
 Deze E omzetten naar arbeid of afgeven aan omgeving dmv warmte
 Eindmoleculen vrijstellen die minder georganiseerd zijn (S stijgt)
 Gestegen orde in systeem door complexe macromoleculen (S daalt)
 Tijdens E-omzetting stijgt wanorde van het systeem en omgeving
+ daalt potentiële E van de complexe voedingsmoleculen

1.4 Fotosynthese en respiratie

 Fotosynthetische organismen: lichtenergie gebruiken om elektronen van water
naar CO2 door te geven  Vorming energierijke producten (zetmeel, sucrose) +
vrijstelling CO2 in atmosfeer
 Niet-fotosynthetische organismen: Oxideren van de energierijke FS-producten 
Elektronen doorgeven aan O2 door elektronenflow

1.5 Flow van elektronen voorziet in de energie van organismen

 Wanneer molecule een elektron oppikt, pikt het vaak tegelijk een proton op 
Netto effect: Waterstofatoom aan het molecule toegevoegd
= Hydrogeneringsreactie/reductie <-> Dehydrogenering/ oxidatie
 ‘Bergafwaartse’ flow elektronen (hogere naar lagere elektrochem potentiaal
(analoog aan elektronenflow in een door batterijen aangedreven circuit)
= Stapsgewijze oxidatie
 Enzymkatalysatoren zorgen voor meename van moleculen langs reeks van
reacties die zelden bestaan uit directe toevoeging van O2

1

,Metabolisme en metabole regeling – 1 e bach farmaceutische wetenschappen 2016-2017


1.6 Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar

 Vrije energie G: Hoeveelheid energie, effectief beschikbaar voor arbeid
 Energie vrijstellen (exergoon) drijft energievragende reactie (endergoon)
 Chemische reacties reageren in gesloten systeem tot evenwicht

1.7 E tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carrièrs (ATP, NADH)

 Klein, diffunderen snel doorheen de cel
 Stockeren E als gemakkelijk transfereerbare groep of hoge-E elektronen
- Bron van chemische groepen en bron van E
 Vorming geactiveerde carrièrs wordt gekoppeld aan E gunstige reactie
- E die vrijkomt wanneer glucose wordt geoxideerd gecapteerd
- Directe verbranding van CO2 tot H2O gebeurt niet, wel in stappen waarbij
E wordt gecapteerd  Pot E voor chemische arbeid

1.8 Enzymen bevorderen ketens van reacties

 Activeringsbarrière door de TT (hogere vrije E dan reagens en product)
 Biokatalysten die snelheid reactie verhogen zonder verbruikt te worden (verlagen
E-barrière)
 Activeringsenergie zou in principe door warmte geleverd kunnen worden, maar dit
gaat niet in het lichaam (cellulaire comp denatureren)
 Actieve site waarop substraat zal binden
 Maken gebruik van bindingseffecten
- 2 reagentia binden op stereospecifieke manier aan oppervlak zodat wss om
te reageren vergroot wordt (nabijheids- en oriëntatie-effecten)
- Reagentie ondergaan veranderingen in moleculaire vorm (richting de TT),
waardoor activeringsE verlaagd wordt
 Metabole katalysten zijn (met uitzonderingen) eiwitten (1 spec reactie kat)
 Veelvoud enzymen + specificiteit en regelbaarheid  E-barrière verlagen
 Enzymen zorgen voor scheppen van orde in vele mogelijke richtingen waarin
moleculen potentieel kunnen reageren  Pathways
- Katabole pathways: Degraderen voedingsstoffen tot E in bruikbare vorm
- Anabole pathways: Kleine bouwstenen tot groter/complexere moleculen

TESAMEN: Metabolisme, ATP voornaamste link tussen anabool en katabool

1.9 Metabolisme wordt geregeld om balans en zuinigheid te bevorderen

 Bv: synthese isoleucine  Concentratie stijgt  Negatieve feedback
 Cel regelt synthese van katalysten via beïnvloeding van genexpressie

2. Thermodynamische basisprincipes der bio-energetica

Bv: Spierinspaning: Glycogeen  lactaat <-> Rustperiode: Lactaat  glycogeen
 Geen exacte omkering, door thermodynamica




2

,Metabolisme en metabole regeling – 1 e bach farmaceutische wetenschappen 2016-2017


2.1 Thermodynamische situering van het leven

Cellen creëren en handhaven orde in universum van toenemende wanorde 
Aanhoudende stroom van reacties nodig (=Biosynthese) (E, atomen, enzymes)

2.2 Tweede wet van thermodynamica en biologische orde

= Wanorde van universum of elk geïsoleerd systeem daarbinnen kan enkel toenemen
= Systemen zullen spontaan veranderen naar meest waarschijnlijke (= meest
wanordelijke) schikkingen
= Systemen zullen spontaan evolueren naar die schikking met de grootste entropie

 Levende cellen scheppen orde door te groeien en complexe organismen te vormen
 Hierbij komt warmte vrij  Entropie omgeving stijgt (moleculen bewegen meer)
 Totale entropie stijgt!
 Niet nuttig in biologische context (open systeem): Zowel E-veranderingen als
entropieveranderingen treden op en bepalen beide richting van een
thermodynamisch gunstig proces

2.3 Eerste wet van thermodynamica en biologische energieomzettingen

= Energie kan wel van de ene vorm naar de andere worden omgezet, maar niet worden
geschapen of vernietigd

 E-‘productie’ in mitochondriën is dus eigenlijk E-omzettingen

2.4 Gibbs vrije energie

G=H-TS DeltaG = DeltaG(prod) – DeltaG(reagens)

 S: warmte-inhoud van een stof, reflecteert de aard en het aantal van bindingen
= Wanorde
 G: Energie beschikbaar voor verrichten van arbeid (mechanisch of chemisch)
- E zit in vibraties, rotaties en translaties + E opgeslagen in bindingen
- Spontane processen: DeltaG < 0 (daling in E beschikbaar voor arbeid)
 Samenspel van enthalptie en entropie  Balans van beiden in rekening brengen
 Bv: Knalgasreactie: H2O gevormd (ordelijker), maar heel negatieve DeltaH
 Reacties kunnen op 2 manieren wanorde veroorzaken
- Veranderingen in bindingsenergie  Warmte vrijstellen
- Orde afnemen, bv. door lange keten af te breken of interactie afbreken die
bindingsrotatie hinderde
 We kunnen enkel de verandering in G kennen, G is een toestandsfunctie
 Spontaniteit of energetische gunstigheid heeft niets met snelheid te maken
 Enzymen kunnen reactie versnellen, maar de DeltaG0 niet veranderen
 Entropie van een open systeem kan dalen (bv. levende organismen)




3

, Metabolisme en metabole regeling – 1 e bach farmaceutische wetenschappen 2016-2017


2.5 DeltaG stat in rechtstreeks verband met K van een reactie

 A  B : A/B wordt groter of B/A wordt kleiner  G meer negatief
 DeltaG= 0 bij evenwicht  K=1
 Als enzym EA voor A  B verlaagt, verlaagt ze de EA voor B  A evenveel
 Evenveel versneld
 Enzymen doen dus niets aan de ligging van het evenwicht!
 Concentratie-onafhankelijke component DeltaG0, afh van intrinsiek karakter van
reagerende moleculen

0 [ B]
∆ G=∆ G +0.616 ln
[A]
2.6 DeltaG’s zijn additief

 Reactie1+ reactie 2 = reactie 3  DG1 + DG2 = DG3
 K1*K2 = K3
 Energetisch ongunstige reacties worden zo gekoppeld aan de energetisch gunstige
hydrolyse van ATP

2.7 Hoge E bindingen

 Bv: Hydrolyse, waarbij cov binding wordt gesplitst door toevoeging van water
- DeltaG wordt bindingsenergie genoemd
- Binding met hoge bindingsenergie (Hoge energiebinding) is een binding
met een sterk negatieve DeltaG0 (E zeer gunstig)
 Grens tussen energierijk en –arm liggen bij die DeltaG die men bij een koppeling
van reacties nodig heeft om de gekoppelde reactie te kunnen laten doorgaan
(meestal min. 7 kcal/mol nodig om door te kunnen gaan)

2.8 Cellen hebben bronnen van vrije E nodig

 Isothermische systemen
 Energie bekomen uit voedselmoleculen of zonnestraling  Transformatie tot ATP
en andere energierijke verbindingen

3. Fosforylgroep transfers en ATP

3.1 Wat doet ATP

 ATP: link tussen E-productie (katabool) en E-verbruik (anabool)
 Gebruiken E om uit ADP en Pi ATP te maken
 ATP geeft chemische E aan endergone processen
 Covalente deelname van ATP aan de reactie  ATP zal gehydrolyseerd worden tot
ADP en Pi of AMP en 2Pi
 Geven van E door ATP stelt een groepstransfer voor, niet gewoon hydrolyse




4