Metabolisme Hoofdstuk 15
Levende organisme hebben een constante toevoer van energie nodig voor: het uitvoeren van
mechanisch werk in spiersamentrekking en beweging, het actieve transport van moleculen en ionen
en de synthese van macromoleculen. De energie die de cel in deze staat (tegen de evenwichten in)
houdt wordt verkregen uit de omgeving. Fototrofe organismen komen aan deze energie door het
opnemen van (zon)licht, chemotrofe organismen komen aan deze energie door de oxidatie van
voedingsstoffen.
Metabolisme: de opeenvolging van chemische reacties waarbij een molecuul gevormd wordt uit een
ander molecuul volgens vaste stappen, ook wel pathways. Deze pathways worden veelal gereguleerd
door allosterishe enzymen.
Metabolische pathways worden in twee typen ingedeeld:
1. Pathways die energie van brandstoffen omzetten in biologisch bruikbare vormen. Deze
processen worden catabolische reacties, of katabolisme, genoemd.
2. Pathways die een input van energie nodig hebben om plaats te vinden. Deze processen
worden anabolische reacties, of anabolisme, genoemd.
De energie die verkregen wordt in het katabolisme wordt gebruikt in het anabolisme om complexe
structuren te vormen.
Amphibolische pathways: pathways die anabolisch of katabolisch kunnen zijn afhankelijk van de
energie conditie van de cel.
Een pathway kan enkel gevormd worden uit simpele individuele reacties als voldaan wordt aan twee
criteria: de individuele reacties moeten specifiek zijn en het geheel aan reacties die bijdragen aan de
pathway moet thermodynamisch begunstigd zijn.
De dG hangt af van de natuur van de reactanten en producten (uitgedrukt in dG0) en hun
concentraties (uitgedrukt in Keq).
De gehele verandering in vrije energie in chemische reacties die gekoppeld zijn is de opsomming van
de vrije energie veranderingen in de individuele stappen. Dit betekent dat een thermodynamisch
ongunstige reactie gedreven kan worden door het koppelen van deze reactie aan een
thermodynamisch gunstige reactie.
Een deel van de vrije energie die verkregen wordt door de oxidatie van voedingsstoffen of van licht
wordt overgedragen naar een veel voorkomend molecuul (ADP), dit molecuul gedraagt zich
vervolgens als energie donor in processen die energie nodig hebben.
ATP is een nucleotide bestaande uit een stikstof base, een ribose en een trifosfaat groep. De actieve
vorm van ATP is vaak een complex van ATP met Mg 2+ of Mn2+. ATP is een energierijk molecuul omdat
de trifosfaat eenheid twee fosfoanhydride bindingen bevat. Een grote hoeveelheid vrije energie komt
vrij als ATP omgezet wordt naar ADP en orthofosfaat (P i), of AMP en pyrofosfaat (PPi).
De preciese dG van deze reacties hangt af van de ioniosche kracht van het medium en de
concentratie Mg2+ (en andere metaalionen). De vrije energie die hierbij vrijkomt wordt gebruikt voor
reacties die een input van energie nodig hebben. ATP wordt gevormd uit ADP en P i als
voedingsstoffen worden geoxideerd of licht wordt opgenomen. De ATP-ADP cyclus is een
fundamentele manier van energie uitwisseling in biologische systemen.
Sommige biosynthetische reacties worden gedreven door de hydrolyse van andere nucleoside
trifosfaten (GTP, UTP of CTP). De fosforylatie van nucleoside monofosfaten wordt gekatalyseerd door
, de nucleoside monofosfaat kinases, de fosforylatie van de nucleoside difosfaten door de nucleoside
difosfaat kinases. Ongeacht dat alle nucleotide trifosfaten dezelfde energetische waarde hebben
wordt ATP het meeste gebruikt. Daarnaast worden twee elektronen dragers, NAD + en FAD, en een
acyl groep drager, coenzym A, gevormd uit ATP.
In cellen wordt de hydrolyse van een ATP molecuul in een gekoppelde reactie gebruikt om de
evenwichtsratio (Keq) van producten tot reactanten te veranderen met een orde van 10 8. De
hydrolyse van n ATP moleculen veranderdt de Keq met een ratio van 10 8 x n. Dus een
thermodynamisch ongunstige reactie wordt gunstig gemaakt door de koppeling van de hydrolyse van
een bepaalde hoeveelheid ATP moleculen.
- De ongunstige omzetting van A naar B kan ook de omzetting van een inactief naar een actief
eiwit zijn door fosforylatie met ATP.
De dG0 van ATP is -30.5 kJ/mol, dit is veel groter dan bijvoorbeeld glycerol-3-fosfaat (-9.2 kJ/mol). Dit
betekent dat ATP een grote neiging heeft tot het afstaan van zijn terminale fosfaat groep. ATP heeft
dus een hoge fosforyl transfer potentiaal.
Dit hoge potentiaal wordt verklaard door de structuur van ATP:
1. Resonante stabilisatie: orthofosfaat (Pi), een van de producten van ATP-hydrolyse, heeft een
grotere resonantie stabilisatie dan de andere producten. De gamma fosforylgroep heeft
minder resonante structuren omdat een positief geladen zuurstofatoom dan naast een
positief geladen fosfaat atoom zou moeten zitten.
2. Elektrostatische repulsie: bij een pH van 7 draagt ATP vier negatieve ladingen die elkaar
allemaal afstoten. Door ATP-hydrolyse wordt deze afstotende kracht verlaagd.
3. Toename in entropy: de producten van ATP vergoten de entropie (van 1 molecuul naar 2).
Hierbij wordt het watermolecuul genegeerd omdat er bijna geen verandering in water
concentratie plaatsvindt bij de reactie.
4. Stabilisatie door hydratatie: door de binding van water aan ADP en P i worden deze moleculen
gestabiliseerd waardoor de omgekeerde reactie onvoordelig is.
ATP wordt een ‘’high energy phosphate compound’’ genoemd, de fosfoanhydride bindingen worden
high-energy bonds genoemd (aangegeven door ~P). Dit betekent dat er veel vrije energie vrijkomt bij
het verbreken van deze verbindingen.
Enkele biologische mengsels hebben een hogere fosforyl-verplaatsing potentiaal dan ATP, dit zijn
bijvoorbeeld PEP, 1,3-BPG en creatine fosfaat. Dit betekent dat PEP bijvoorbeeld zijn fosforylgroep
kan overdragen aan ADP om zo ATP te vormen. Dankzij deze gematigde positie kan ATP efficiënt
functioneren als een drager van fosforyl groepen.
De hoeveelheid ATP in de spieren is enkel voldoende om samentrekking te onderhouden voor
minder dan een seconde. Creatine fosfaat is aanwezig als reservoir voor high-potential fosforyl
groepen die aan ADP overgedragen kunnen worden. Deze reactie wordt gekatalyseerd door creatine
kinase. De dG bij pH7 voor deze reactie is -43.1 kJ/mol (tegenover -30.5 kJ/mol van ATP). Dit
resulteert in een dG van -12.6 kJ/mol voor de omzetting van ADP naar ATP door creatine kinase. De
Keq is 162. Echter is creatine fosfaat in een veel hogere concentratie aanwezig in de spieren, wat
betekent dat creatine fosfaat een effectieve fosforyl buffer is. Als de creatine fosfaat poel op is moet
ATP gegenereerd worden door metabolisme.
De turnover van ATP is erg hoog, waardoor ATP functioneert als directe donor van vrije energie in de
cel. Hierom zijn sterke mechanisme van ATP-regeneratie in de cel noodzakelijk. De generatie van ATP
is een van de fundamentele rollen van metabolisme. Koolstof van voedingsstoffen wordt geoxideerd
tot CO2 waarbij de elektronen die vrijkomen gebruikt worden voor de vorming van ATP. De
Levende organisme hebben een constante toevoer van energie nodig voor: het uitvoeren van
mechanisch werk in spiersamentrekking en beweging, het actieve transport van moleculen en ionen
en de synthese van macromoleculen. De energie die de cel in deze staat (tegen de evenwichten in)
houdt wordt verkregen uit de omgeving. Fototrofe organismen komen aan deze energie door het
opnemen van (zon)licht, chemotrofe organismen komen aan deze energie door de oxidatie van
voedingsstoffen.
Metabolisme: de opeenvolging van chemische reacties waarbij een molecuul gevormd wordt uit een
ander molecuul volgens vaste stappen, ook wel pathways. Deze pathways worden veelal gereguleerd
door allosterishe enzymen.
Metabolische pathways worden in twee typen ingedeeld:
1. Pathways die energie van brandstoffen omzetten in biologisch bruikbare vormen. Deze
processen worden catabolische reacties, of katabolisme, genoemd.
2. Pathways die een input van energie nodig hebben om plaats te vinden. Deze processen
worden anabolische reacties, of anabolisme, genoemd.
De energie die verkregen wordt in het katabolisme wordt gebruikt in het anabolisme om complexe
structuren te vormen.
Amphibolische pathways: pathways die anabolisch of katabolisch kunnen zijn afhankelijk van de
energie conditie van de cel.
Een pathway kan enkel gevormd worden uit simpele individuele reacties als voldaan wordt aan twee
criteria: de individuele reacties moeten specifiek zijn en het geheel aan reacties die bijdragen aan de
pathway moet thermodynamisch begunstigd zijn.
De dG hangt af van de natuur van de reactanten en producten (uitgedrukt in dG0) en hun
concentraties (uitgedrukt in Keq).
De gehele verandering in vrije energie in chemische reacties die gekoppeld zijn is de opsomming van
de vrije energie veranderingen in de individuele stappen. Dit betekent dat een thermodynamisch
ongunstige reactie gedreven kan worden door het koppelen van deze reactie aan een
thermodynamisch gunstige reactie.
Een deel van de vrije energie die verkregen wordt door de oxidatie van voedingsstoffen of van licht
wordt overgedragen naar een veel voorkomend molecuul (ADP), dit molecuul gedraagt zich
vervolgens als energie donor in processen die energie nodig hebben.
ATP is een nucleotide bestaande uit een stikstof base, een ribose en een trifosfaat groep. De actieve
vorm van ATP is vaak een complex van ATP met Mg 2+ of Mn2+. ATP is een energierijk molecuul omdat
de trifosfaat eenheid twee fosfoanhydride bindingen bevat. Een grote hoeveelheid vrije energie komt
vrij als ATP omgezet wordt naar ADP en orthofosfaat (P i), of AMP en pyrofosfaat (PPi).
De preciese dG van deze reacties hangt af van de ioniosche kracht van het medium en de
concentratie Mg2+ (en andere metaalionen). De vrije energie die hierbij vrijkomt wordt gebruikt voor
reacties die een input van energie nodig hebben. ATP wordt gevormd uit ADP en P i als
voedingsstoffen worden geoxideerd of licht wordt opgenomen. De ATP-ADP cyclus is een
fundamentele manier van energie uitwisseling in biologische systemen.
Sommige biosynthetische reacties worden gedreven door de hydrolyse van andere nucleoside
trifosfaten (GTP, UTP of CTP). De fosforylatie van nucleoside monofosfaten wordt gekatalyseerd door
, de nucleoside monofosfaat kinases, de fosforylatie van de nucleoside difosfaten door de nucleoside
difosfaat kinases. Ongeacht dat alle nucleotide trifosfaten dezelfde energetische waarde hebben
wordt ATP het meeste gebruikt. Daarnaast worden twee elektronen dragers, NAD + en FAD, en een
acyl groep drager, coenzym A, gevormd uit ATP.
In cellen wordt de hydrolyse van een ATP molecuul in een gekoppelde reactie gebruikt om de
evenwichtsratio (Keq) van producten tot reactanten te veranderen met een orde van 10 8. De
hydrolyse van n ATP moleculen veranderdt de Keq met een ratio van 10 8 x n. Dus een
thermodynamisch ongunstige reactie wordt gunstig gemaakt door de koppeling van de hydrolyse van
een bepaalde hoeveelheid ATP moleculen.
- De ongunstige omzetting van A naar B kan ook de omzetting van een inactief naar een actief
eiwit zijn door fosforylatie met ATP.
De dG0 van ATP is -30.5 kJ/mol, dit is veel groter dan bijvoorbeeld glycerol-3-fosfaat (-9.2 kJ/mol). Dit
betekent dat ATP een grote neiging heeft tot het afstaan van zijn terminale fosfaat groep. ATP heeft
dus een hoge fosforyl transfer potentiaal.
Dit hoge potentiaal wordt verklaard door de structuur van ATP:
1. Resonante stabilisatie: orthofosfaat (Pi), een van de producten van ATP-hydrolyse, heeft een
grotere resonantie stabilisatie dan de andere producten. De gamma fosforylgroep heeft
minder resonante structuren omdat een positief geladen zuurstofatoom dan naast een
positief geladen fosfaat atoom zou moeten zitten.
2. Elektrostatische repulsie: bij een pH van 7 draagt ATP vier negatieve ladingen die elkaar
allemaal afstoten. Door ATP-hydrolyse wordt deze afstotende kracht verlaagd.
3. Toename in entropy: de producten van ATP vergoten de entropie (van 1 molecuul naar 2).
Hierbij wordt het watermolecuul genegeerd omdat er bijna geen verandering in water
concentratie plaatsvindt bij de reactie.
4. Stabilisatie door hydratatie: door de binding van water aan ADP en P i worden deze moleculen
gestabiliseerd waardoor de omgekeerde reactie onvoordelig is.
ATP wordt een ‘’high energy phosphate compound’’ genoemd, de fosfoanhydride bindingen worden
high-energy bonds genoemd (aangegeven door ~P). Dit betekent dat er veel vrije energie vrijkomt bij
het verbreken van deze verbindingen.
Enkele biologische mengsels hebben een hogere fosforyl-verplaatsing potentiaal dan ATP, dit zijn
bijvoorbeeld PEP, 1,3-BPG en creatine fosfaat. Dit betekent dat PEP bijvoorbeeld zijn fosforylgroep
kan overdragen aan ADP om zo ATP te vormen. Dankzij deze gematigde positie kan ATP efficiënt
functioneren als een drager van fosforyl groepen.
De hoeveelheid ATP in de spieren is enkel voldoende om samentrekking te onderhouden voor
minder dan een seconde. Creatine fosfaat is aanwezig als reservoir voor high-potential fosforyl
groepen die aan ADP overgedragen kunnen worden. Deze reactie wordt gekatalyseerd door creatine
kinase. De dG bij pH7 voor deze reactie is -43.1 kJ/mol (tegenover -30.5 kJ/mol van ATP). Dit
resulteert in een dG van -12.6 kJ/mol voor de omzetting van ADP naar ATP door creatine kinase. De
Keq is 162. Echter is creatine fosfaat in een veel hogere concentratie aanwezig in de spieren, wat
betekent dat creatine fosfaat een effectieve fosforyl buffer is. Als de creatine fosfaat poel op is moet
ATP gegenereerd worden door metabolisme.
De turnover van ATP is erg hoog, waardoor ATP functioneert als directe donor van vrije energie in de
cel. Hierom zijn sterke mechanisme van ATP-regeneratie in de cel noodzakelijk. De generatie van ATP
is een van de fundamentele rollen van metabolisme. Koolstof van voedingsstoffen wordt geoxideerd
tot CO2 waarbij de elektronen die vrijkomen gebruikt worden voor de vorming van ATP. De
