1 Bio-energetica
1.1 De energetische logica van het leven
1.1.1 Energieproductie en consumptie in het metabolisme
De cel heeft energie nodig omdat:
Ze informatie moet kunnen opslaan en tot expressie brengen
Ze een hele brede waaier van bio synthetische reacties moet uitvoeren
Ze een gehele cel (of organellen daarbinnen) moet kunnen bewegen
Ze een onevenwicht met de buitenwereld moet onderhouden
1.1.1.1 Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
Dynamische steady state: constante concentratie van moleculen die worden gesynthetiseerd en
afgebroken in een continue stroom van reacties, en dat veranderstelt een continue stroom van
massa en energie.
1.1.1.2 Levende organismen zijn open systemen die energie en materie uit hun omgeving
transformeren
Geïsoleerd systeem: geen uitwisseling van energie en materie
Gesloten systeem: uitwisseling energie, geen materie
Open systeem: uitwisseling energie en materie
Levende organismen:
- nemen chemische brandstoffen op uit hun omgeving en extraheren energie door ze te
oxideren
- absorberen energie uit zonlichtt (planten en bepaalde bacteriën)
cellen zijn zeer effectieve omzetters van energie (figuur 1.1 p.6)
1.1.1.3 Fotosynthese en respiratie
Fotosynthese: lichtenergie capteren en gebruiken om elektronen van water door te geven
naar CO2, met vorming van energierijke producten zoals zetmeel en sucrose en vrijstelling van
O2
Respiratie: oxideren van energierijke fotosyntheseproducten en elektronen doorgeven aan O2
om zo water en CO2 en andere producten te vormen
1.1.1.4 De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Hydrogeneringsreactie (reductie en winnen elektronen): A + e- + H+ -> AH
Dehydrogeneringsreactie (oxidatie en verliezen elektronen): AH -> A + e- + H+
Bij reductie stijgt het aantal CH-bindingen en bij oxidatie daalt het aantal CH-bindingen.
In een cel is een stapsgewijze oxidatie (dus niet in 1 stap): door het gebruik van
enzymkatalysatoren neemt het metabolisme mee langs een lange reeks van reactiesmaakt het
mogelijk om nuttige hoeveelheden energie te extraheren
1.1.1.5 Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar
Gekoppelde reacties: Chemische reactie kunnen gekoppeld worden zodat een
energievrijstellende reactie (exergone reactie) een energievergende reactie (endergone
reactie) aandrijft. (Zie vb. rotsblokken p.10)
1.1.1.6 Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP, NADH)
Geactiveerde carriers: stockeren energie als gemakkelijk transfereerbare groep of als hoge-
energie e-. Vb. ATP, NADH/NADPH
Activated carrier Group carried in high-energy linkage
ATP Phosphate
NADH, NADPH, FADH2 Electrons and hydrogens
Acetyl CoA Acetyl group
Carboxylated biotin Carboxyl group
Uridine diphosphate glucose Glucose
, S-Adenosylmethionine Methyl group
1.1.1.7 Enzymen bevorderen ketens van reacties
Activeringsbarrière: energie barrière die genomen moet worden indien de reactie wil doorgaan.
Transitietoestand: hoogste punt in het reactiecoördinaatdiagram
Enzymen: biokatalysten die de snelheid van een reactie verhogen zonder zelf verbruikt te worden,
verlagen de energiebarrière tussen reagens en product
Activeringsenergie: nodig om de energiebarrière te overkomen
Nabijheids-en oriënteringseffect: wanneer twee reagentia op een stereospecifieke manier aan het
enzymoppervlak binden, dan wordt de waarschijnlijkheid van reageren vergroot.
‘actieve site’: plaats op enzym waar het substraat zal binden (op stereospecifieke manier) en waar de
reactie zal worden bevorderd.
Metabole katalysten= eiwitten. Elk enzym zal specifieke reactie katalyseren & elke reactie in de cel wordt
gekatalyseerd door een ander enzym ( duizenden enzymen nodig) de specificiteit & regelbaarheid van
enzymen stelt de cel in staat om specifieke activeringsbarrières te verlagen.
Pathways: duizenden enzymgekatalyseerde reacties in de cel die functioneel georganiseerd zijn in
opeenvolgende reacties.
Katabole pathways: degraderen van voedingsstoffen om er energie uit te extraheren die bruikbaar is
Anabole pathways: starten met kleine bouwstenen die worden omgezet tot progressief grotere of
complexere moleculen, zoals eiwitten of nucleïnezuren
Metabolisme: gehele netwerk van door enzym gekatalyseerde pathways
1.1.1.8 Metabolisme wordt geregeld om balans en zuinigheid te bevorderen
Sleutelenzymen in elke metabole pathway worden zodanig geregeld dat elke type precursor molecule
slechts wordt geproduceerd in die hoeveelheden die overeenstemmen met de noden van de cel.
(figuur 1.14 p.13)
1.2 Thermodynamische basisprincipes der bio-energetica
1.2.1 Waarom thermodynamica bestuderen?
Energetische eigenschappen bepalen of een reactie op een significante schaal mogelijk is en
of de omgekeerde reactie ook op een significante schaal kan gebeuren.
1.2.2 biologische energieomzettingen gehoorzamen de wetten van de
themodynamica
1.2.2.1 Basisbegrippen en terminologie
Systeem (voor chemische reacties in oplossing): alle aanwezige reagentia en producten, en het
solvent
Universum: het systeem en zijn omgeving
Een levend organisme is een open systeem
1.2.2.2 Thermodynamische situering van het leven
Cellen creëren en handhaven orde in een universum van steeds toenemende wanorde
Biosynthese: stroom van reacties die nodig zijn om orde te scheppen en te handhaven
Om deze biosynthese mogelijk te maken is er energie nodig. Reacties die optreden in de cel gebeuren normaal op
veel hogere temperaturen dan gangbare temperatuur in de cel daarom moeten deze reacties bevorderd worden
door enzymen.
1.2.2.3 Biologische orde en de tweede wet van de thermodynamica
2de wet van de thermodynamica: de universele tendens van de materie om steeds wanordelijker te
worden
- De wanorde van het universum (of van elk geïsoleerd systeem daarbinnen) kan alleen maar
toenemen
- Systemen zullen spontaan veranderen naar die schikkingen die het meest waarschijnlijk zijn
- Systemen zullen spontaan evolueren naar die schikkingen met de grootste entropie
Levende cellen lijken de tweede wet van de thermodynamica te overtreden, door te groeien
en door complexe organismen te vormen orde scheppen. Hoe kan dit? Het antwoord is dat de
cel geen geïsoleerd systeem is: de cel neemt energie op die ze gebruikt om orde te scheppen
binnen in de cel, maar tijdens het scheppen van deze orde komt energie vrij. Deze energie
1.1 De energetische logica van het leven
1.1.1 Energieproductie en consumptie in het metabolisme
De cel heeft energie nodig omdat:
Ze informatie moet kunnen opslaan en tot expressie brengen
Ze een hele brede waaier van bio synthetische reacties moet uitvoeren
Ze een gehele cel (of organellen daarbinnen) moet kunnen bewegen
Ze een onevenwicht met de buitenwereld moet onderhouden
1.1.1.1 Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
Dynamische steady state: constante concentratie van moleculen die worden gesynthetiseerd en
afgebroken in een continue stroom van reacties, en dat veranderstelt een continue stroom van
massa en energie.
1.1.1.2 Levende organismen zijn open systemen die energie en materie uit hun omgeving
transformeren
Geïsoleerd systeem: geen uitwisseling van energie en materie
Gesloten systeem: uitwisseling energie, geen materie
Open systeem: uitwisseling energie en materie
Levende organismen:
- nemen chemische brandstoffen op uit hun omgeving en extraheren energie door ze te
oxideren
- absorberen energie uit zonlichtt (planten en bepaalde bacteriën)
cellen zijn zeer effectieve omzetters van energie (figuur 1.1 p.6)
1.1.1.3 Fotosynthese en respiratie
Fotosynthese: lichtenergie capteren en gebruiken om elektronen van water door te geven
naar CO2, met vorming van energierijke producten zoals zetmeel en sucrose en vrijstelling van
O2
Respiratie: oxideren van energierijke fotosyntheseproducten en elektronen doorgeven aan O2
om zo water en CO2 en andere producten te vormen
1.1.1.4 De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Hydrogeneringsreactie (reductie en winnen elektronen): A + e- + H+ -> AH
Dehydrogeneringsreactie (oxidatie en verliezen elektronen): AH -> A + e- + H+
Bij reductie stijgt het aantal CH-bindingen en bij oxidatie daalt het aantal CH-bindingen.
In een cel is een stapsgewijze oxidatie (dus niet in 1 stap): door het gebruik van
enzymkatalysatoren neemt het metabolisme mee langs een lange reeks van reactiesmaakt het
mogelijk om nuttige hoeveelheden energie te extraheren
1.1.1.5 Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar
Gekoppelde reacties: Chemische reactie kunnen gekoppeld worden zodat een
energievrijstellende reactie (exergone reactie) een energievergende reactie (endergone
reactie) aandrijft. (Zie vb. rotsblokken p.10)
1.1.1.6 Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP, NADH)
Geactiveerde carriers: stockeren energie als gemakkelijk transfereerbare groep of als hoge-
energie e-. Vb. ATP, NADH/NADPH
Activated carrier Group carried in high-energy linkage
ATP Phosphate
NADH, NADPH, FADH2 Electrons and hydrogens
Acetyl CoA Acetyl group
Carboxylated biotin Carboxyl group
Uridine diphosphate glucose Glucose
, S-Adenosylmethionine Methyl group
1.1.1.7 Enzymen bevorderen ketens van reacties
Activeringsbarrière: energie barrière die genomen moet worden indien de reactie wil doorgaan.
Transitietoestand: hoogste punt in het reactiecoördinaatdiagram
Enzymen: biokatalysten die de snelheid van een reactie verhogen zonder zelf verbruikt te worden,
verlagen de energiebarrière tussen reagens en product
Activeringsenergie: nodig om de energiebarrière te overkomen
Nabijheids-en oriënteringseffect: wanneer twee reagentia op een stereospecifieke manier aan het
enzymoppervlak binden, dan wordt de waarschijnlijkheid van reageren vergroot.
‘actieve site’: plaats op enzym waar het substraat zal binden (op stereospecifieke manier) en waar de
reactie zal worden bevorderd.
Metabole katalysten= eiwitten. Elk enzym zal specifieke reactie katalyseren & elke reactie in de cel wordt
gekatalyseerd door een ander enzym ( duizenden enzymen nodig) de specificiteit & regelbaarheid van
enzymen stelt de cel in staat om specifieke activeringsbarrières te verlagen.
Pathways: duizenden enzymgekatalyseerde reacties in de cel die functioneel georganiseerd zijn in
opeenvolgende reacties.
Katabole pathways: degraderen van voedingsstoffen om er energie uit te extraheren die bruikbaar is
Anabole pathways: starten met kleine bouwstenen die worden omgezet tot progressief grotere of
complexere moleculen, zoals eiwitten of nucleïnezuren
Metabolisme: gehele netwerk van door enzym gekatalyseerde pathways
1.1.1.8 Metabolisme wordt geregeld om balans en zuinigheid te bevorderen
Sleutelenzymen in elke metabole pathway worden zodanig geregeld dat elke type precursor molecule
slechts wordt geproduceerd in die hoeveelheden die overeenstemmen met de noden van de cel.
(figuur 1.14 p.13)
1.2 Thermodynamische basisprincipes der bio-energetica
1.2.1 Waarom thermodynamica bestuderen?
Energetische eigenschappen bepalen of een reactie op een significante schaal mogelijk is en
of de omgekeerde reactie ook op een significante schaal kan gebeuren.
1.2.2 biologische energieomzettingen gehoorzamen de wetten van de
themodynamica
1.2.2.1 Basisbegrippen en terminologie
Systeem (voor chemische reacties in oplossing): alle aanwezige reagentia en producten, en het
solvent
Universum: het systeem en zijn omgeving
Een levend organisme is een open systeem
1.2.2.2 Thermodynamische situering van het leven
Cellen creëren en handhaven orde in een universum van steeds toenemende wanorde
Biosynthese: stroom van reacties die nodig zijn om orde te scheppen en te handhaven
Om deze biosynthese mogelijk te maken is er energie nodig. Reacties die optreden in de cel gebeuren normaal op
veel hogere temperaturen dan gangbare temperatuur in de cel daarom moeten deze reacties bevorderd worden
door enzymen.
1.2.2.3 Biologische orde en de tweede wet van de thermodynamica
2de wet van de thermodynamica: de universele tendens van de materie om steeds wanordelijker te
worden
- De wanorde van het universum (of van elk geïsoleerd systeem daarbinnen) kan alleen maar
toenemen
- Systemen zullen spontaan veranderen naar die schikkingen die het meest waarschijnlijk zijn
- Systemen zullen spontaan evolueren naar die schikkingen met de grootste entropie
Levende cellen lijken de tweede wet van de thermodynamica te overtreden, door te groeien
en door complexe organismen te vormen orde scheppen. Hoe kan dit? Het antwoord is dat de
cel geen geïsoleerd systeem is: de cel neemt energie op die ze gebruikt om orde te scheppen
binnen in de cel, maar tijdens het scheppen van deze orde komt energie vrij. Deze energie
