Samenvatting celbiologie partim medische biochemie

Celbiologie partim medische biochemie
1. Introductie biochemie, enzymologie en energetica
Basisprincipes
- Biochemie is de wetenschap achter de processen die de
balans/homeostase handhaven (ziekte= verstoring van de balans)
- CHNOPS: essentiële bouwstenen (overgrote meerderheid in biochemische
processen)
- Cl, Na, K, Ca, MG, Fe: belangrijkste aanvullingen van CHNOPS
- I, Cu, Co, Zn: trace-elementen
- Metabole processen= chemische reacties om grondstoffen uit de omgeving
om te zetten naar essentiële bouwstenen (daarbij komt warmte, CO2 en
H2O vrij) voor groei, reproductie, homeostase en we gebruiken de energie
(ATP).
- Biomoleculen: micro-,monomeren (essentiële bouwstenen bij elkaar) en
macro-, polymeren (ketens (polymerisatie) van micromoleculen)
- Eigenschappen water (70% van massa in organisme) (interactie met
biomoleculen: polaire zijn hydrofiel en apolaire hydrofoob)
- Interactie (ion-dipool, dipool-dipool, Van der Waals (apolair)) van belang
voor compartimentalisatie, vb celmembraan en huid
- Biochemische pathways: vb glycolyse (suikers), Krebscyclus en oxidatieve
fosforylatie,…
Elke stap gebeurt in aanwezigheid van een enzym
- Bij een metabole aandoening is er een tekort van het eindproduct (en een
opstapeling van een tussenproduct of een tussenproduct wordt in iets
anders omgezet, beide zijn toxisch)
Vb: fenylketonurie: de fenylalanine hydroxylase (=enzym dat OH aan
fenylalanine toevoegd zodat je tyrosine krijgt) verstoord ->tekort tyrosine
(veel gevolgen) en opstapeling van fenylalanine (wordt omgezet in
neurotoxische metabolieten (=stofwisselingsproduct))-> hersenschade

Enzymologie
- Enzymes versnellen de omzetting van substraat naar product
- Er is een wisselende reactiesnelheid (afhankelijk van omgevingsfactoren)
- Gibbs vrije energie ∆G= ∆H(enthalpie)-T(temperatuur). ∆S(entropie)
∆G= negatief: afname energie (spontaan= exergoon (niet persé snel))
∆G= positief: toename energie (reactie heeft energie nodig: niet spontaan
=endergoon)
∆G= ong 0: evenwicht substraat-product
- Enzyme versnelt exergone reacties, daarbij komt energie vrij, die energie is
nodig voor endergone reacties (er komt sws warmte vrij->warmbloedig)
- ATP (=hoog-energetisch: Mg2+ stabiliseert de 3 negatieve ladingen van de
3 fosfaatgroepen) nodig voor endergone reacties, een hydrolyse
(ATPADP+P) laat E vrij
- Voor homeostase is er veel ATP nodig veel productie nodig, die halen we
uit de omgeving en zetten om (=heterotrofie), andere energiedragers:
NADH en FADH2 (dragen e- rond)

,- Elk enzym eigen functie, substraat, snelheid, werking afh. Van pH, temp.,
bufferoplossing, aanwezigheid cofactoren, inhibitoren,…; katalytische
enzymactiviteit in IU (µmol/min)
- Actief centrum (kern van het enzym)/ docking site: geëvolueerd voor
optimale binding met substraten. Elke docking site is specifiek voor het
substraat
o Homologen: enzymen met gelijkaardige werking (kan in
verschillende organen?)
o Iso-enzymen: orgaanspecifiek
o Species-afhankelijke variaties
- Positionering substraat moet optimaal zijn voor reactie
- Katalytische aminozuren verhogen de lading/dipool ->verlagen Gibbs-vrije
energie (ondersteuning van de reactie)
1. Docking: oriëntatie van substraat laat binding toe
2. (instabiele) transitie-status van enzyme-substraat
3. Resolutie van eerste spanning door vrijgave product 1
4. Nieuwe transitie status van enzyme-substraat 2
5. Resolutie spanning door nieuwe transitie status van enzyme-product
6. Resolutie spanning door vrijgave product 2
7. Repeat
- Enzymatische reactietypes:
o Oxidoreductases: OT van substraat veranderen
o Transferases: vb fosfaatgroep binden aan andere molecule
o Hydrolases: H2O breekt langere keten op in kortere ketens
o Lyases: grote molecule opsplitsen (1 substraat), dus in andere
richting heb je 2 substraten nodig
o Isomerases: molecule omzetten in zijn isomeer
o Ligases: verbinding van 2 substraten met gebruik van ATP
- Docking initieert conformationele veranderingen
Vb: hexokinase (eerste stap in de glycolyse): activatie glucose door
fosforylatie naar glucose-6-fosfaat (door enzym hexokinase), endergoon
(heeft energie nodig, gebruikt de fosfaatgroep uit ATP (=>ADP
=exergoon)), de induced fit voorkomt blootstelling ATP aan water
(hydrolyse)
- Cofactoren vs coenzymes (kunnen allebei voor altijd of tijdelijk bij enzyme
zijn, een co-enzym is vereist voor enzymatische activiteit, terwijl een
cofactor dat niet is. Alle co-enzymen zijn cofactoren, maar niet alle
cofactoren zijn co-enzymen.)
o Cofactoren: anorganisch, vaak in complex met enzyme of substraat
(vb ijzer/ zink)
o Coenzymes: organisch (vb vitaminen), vaak transportfunctie
(shuttle) van elektronen, assistentie in reactie door activatie
substraat
o Cosubstraat: tijdelijk en uitwisselbaar
o Prosthetische groep: permanent gebonden
- Enzymatische reactie= een reactie met veel tussenstappen,
productvorming is irreversibel
- Snelheid afh. v. activatie-energie, hoeveelheid substraat en enzyme,
omgevingscondities (vb temperatuur)
- Michaëlis-Mentencurve: v= vmax . ([S]/(Km+[S])

, o v= snelheid reactie, vmax= maximale snelheid van conversie, [S]=
substraatconcentratie, Km= [S] waarbij v= ½ v max
hoge vmax: hoge capaciteit
hoge Km: lage affiniteit (=hoe hard het enzyme het substraat
aantrekt) of late onset (=activatie bij overvloed)
Vb hexokinase (in alle cellen voor glycolyse, energieproductie, lage
Km) en glucokinase (in lever en pancreas, glycogeenproductie en
insuline vrijgave, energiestockage, dus late onset, hoge Km) en is
dus afhankelijk van beschikbare hoeveelheid glucose, wordt
geregeld door verschil in Km
- vmax is een asymptoot, Km is niet accuraat alternatieve modellen
- 3 scenario’s:
o [S] << Km → v= vmax. [S]/(Km+[S])= vmax. [S]/Km
o [S] = Km → v= vmax. [S]/(Km+[S])= ½. vmax
o [S] >> Km → v= vmax. [S]/(Km+[S])= vmax
- Enzymreactie vereist vaak meerdere partners
- Consecutieve reacties, waarbij evenwicht verschoven wordt
- Enzymes kunnen voor meerdere reacties aangewend worden
- Enzymes worden door molecules buiten het katalytisch centrum beïnvloed
(allosterische interactie)
- Competitieve inhibitie: hogere Km (zelfde vmax),
affiniteit voor katalytisch centrum
toepassing: geneesmiddelen interageren met doelwit
toepassin
g:
Op spoed
fomepizole
geven (nog
hogere
affiniteit)
- Oncompetitieve inhibitie: inhibitie zonder affiniteit voor katalytisch
centrum, lagere Km en vmax, de remmer bindt zich aan het enzym-
substraatcomplex, waardoor het enzym-substraatcomplex niet kan worden
omgezet in producten.
- Non-competitieve inhibitie (= allosterische inhibitie): bindt buiten
actief centrum, verandert het actief
centrum zodat het een lagere affiniteit heeft
voor het substraat (vaak voorkomend in
feedbacksystemen (regulering pathways))
- Irreversiebele inhibitie: extreme affiniteit
inhibitor en enzyme inactive enzyme
- Allosterische interactie = inhiberend/
activerend, vaak sigmoidale curve (eerst
traag dan snel)
- Homotroop effect (door substraat/product
van de reactie) <-> heterotroop effect (door
feedback uit metabole pathways)
- Hill-coëfficiënt: >1: positief/activeert, <1:
negatief/ inhibeert (handig voor
pathways)

, - Vb: pyrimidinebiosynthese (snelheidsbeperkende stap= aspartaat +
carbamoylfosfaat → carbamoylaspartaat):
o homoallosteer effect gedrag van aspartaat: aanwezigheid
activatie, afwezigheid inhibeert
o heteroallostere activator: ATP: energierijke omgeving
o heteroallostere inhibitor: CTP = eindproduct van de synthese
negatieve feedback
- enzymregulatie door:
o substraatconcentratie
o productconcentratie (neg. Feedback)
o allosterie (sturing door molecules uit de pathway)
o fosforylatie: dmv adenosine trifosfaat (=adenosine (nucleoside) +
drie fosfaatgroepen), zorgt voor belangrijke structuurveranderingen
o proteolytische activatie: opbouw inactieve reserve aan enzymen,
trigger activeert cascade (snelle vergroting van enzymactiviteit), vb:
stollingscascade, verteringsenzymen (trypsine zorgt ervoor dat ze
geactiveerd worden in dunne darm en niet ergens anders)
o genexpressie: (via transcriptie en translatie naar eiwitten) reguleert
de hoeveelheid actieve eiwitten en enzymen

Bio-energetica
- Metabole processen vragen ong. 70% van totale dagelijkse energieverbruik
(man (1800kcal) heeft meer kcal nodig dan vrouw (1300 kcal)), bij een
activiteit (wandelen/ lopen/ …) stijgt energieverbruik
- Energie komt uit oxidatie van koolstof meer koolstoffen in een
verbindingmeer energie
- Glucose is de centrale pijler van energievoorziening (6C’s), andere
moleculen: omgezet naar glucose (neoglucogenese) of omgezet naar
acetylCoA (oxidatieve fosforylatie)
- 40% van de energie-inhoud ATP, de rest: warmte
- ATP is een hoog-energetische binding met 3 negatieve bindingen bij een
pH7,4; de lading zit geconcentreerd en is gestabiliseerd door Mg2+,
hydrolyse laat de energie vrij, je fosforyleert de molecules (energetische
koppeling, vrije energie voor katalyse =reactie sneller laten verlopen)
- Elke biosynthese: E nodig
o Hoog-energetische verbindingen: tussenproducten in pathways,
reactief, exergoon → energievrijgave, vb PEP
o Laag-energetische producten: reactief, beperkte energievrijgave,
metabole potentiatie, vb glucose-6-fosfaat
- ADP, AMP, adenosine,… kan je beter recycleren dan nieuw aanmaken, je
hebt een gecontroleerde manier nodig voor ADP fosforylatie= oxidatieve
fosforylatie

Oxidatieve fosforylatie (oxphos)
- Oxidatiereactie is het uitwisselen van e-, C geeft er graag af, O neemt er
graag op
- In de eerste stap vinden er gekatalyseerde redoxreactie
(=dehydrogenases) plaats, waardoor het oxidatiegetal van C verandert en
er CO2 vrijkomt (Krebscyclus)

, o Dehydrogenases (Krebscyclus): hydroxylgroep wordt naar een keton
omgezet, daarbij komen protonen vrij die worden opgenomen door
e-carriers (NADH, H+ en FADH2, aromatische verbindingen, het zijn
coenzymes, hebben gedelokaliseerde e- dus de lading kan
uitgesmeerd/ gestabiliseerd worden, het doel is om die elektronen
om te zetten in energie)
- In de tweede stap is er pas O2 nodig, drm oxidatieve fosforylatie=
respiratoire keten
- Op binnenste mitochondriaal membraan dmv 5 eiwitcomplexen (IV) dus
het is een cascade (en 2 carriers voor e- doorheen membraan te krijgen:
ubiquinone en cytochroom C)
- De elektroncarriers (NADH en FADH2 van krebscyclus en vetzuuroxidatie in
matrix) geven e- aan de keten af vanuit de matrix (e- zorgen voor lading in
membraan, H+ blijft over en gaat naar intermembranaire ruimte)
o Complex I (initieert oxphos, voornaamste elektronacceptor), III en IV
(vorming van 2x H2O door O2 te verbruiken): protonpomp (naar
intermembranaire ruimte)
o Complex V : regulering protongradiënt, er wordt ATP gevormd
- Levert samen met Krebscyclus de meeste energie
Mitochondrion:
- In matrix: beta-oxidatie, Krebscyclus, katabolisme (afbraak moleculen voor
vorming ATP)
- Binnenste membraan: oxphos, ureumcyclus (ook in matrix en tussen
membranen)
- Beide membranen: carnitine shuttle
Shuttles om elektronen van NADH en FADH2 in matrix te krijgen:
- 1e: hersenen en skeletspieren: glycerol-fosfaat (de e- van NADH en FADH2
naar binnen krijgen (het mitochondriaal membraan is niet permeabel voor
NADH en FADH2))
NADH geeft zijn elektronen en H+ aan FAD => FADH2 (bypass complex
1, in complex weer FAD en kan herbruikt worden)
- 2e: hart en lever: malaat-aspartaat (de e- van NADH naar binnen krijgen
(het mitochondriaal membraan is niet permeabel voor NADH))
o Reductie oxaloacetaat malaat (hierbij: NADHNAD+)
o Malaat naar matrix terwijl a-ketoglutaraat eruit gaat (=eerste
antiporter)
o Malaat geoxideerd oxaloacetaat (hierbij: NAD+NADH !IN
MATRIX! )
o Transaminatie oxaloacetaat (en glutamaat)  a-ketoglutaraat (voor
eerste antiporter) en aspartaat (voor tweede antiporter)
o Transaminatie aspartaat (en a-ketoglutamaat)  oxaloacetaat (voor
eerste stap met NADH) en glutamaat (voor tweede antiporter)
- ‘verzuring’ bij anoxie (zuurstoftekort/ mitochondriële dysfunctie/ dysfunctie
respiratoire keten) opstapeling NADH, H+ en NAD =coenzyme glycolyse
recyclage  lactaatvorming (zuurrest melkzuur) daling pH
- High anion gap metabole acidose (HAGMA) overmaat atypische zuren
(Cl- en HCO3- = wel normaal, lactaat niet)
- Complex I en II = flavoproteïnes : riboflavine-afhankelijke cofactoren (vit
B2)

, - Complex I (NADH dehydrogenase, FMN): enige acceptor van NADH, H+
NAD+ door reductie ubiquinone coenzyme Q10 (=vetoplosbare e-carrier
in fosfolipidemembraan, accepteert de vrije e- van I en II, dan vrije diffusie
naar III) de energie pomt 4 H+ in intermembranaire ruimte (~1ATP)
probleem complex 1: opstapeling NADH en lactaat
- Complex II (succinaat-Q-reductase): draagt niet bij aan protongradient
(transfer complex): e- van succinaat (eerst via FADFADH2) naar
ubiquinone coenzyme Q10
- Complex III (cytochroom c reductase)
o Cytochromen= enzymes met heemgroep (aromatische structuur
met centraal ijzer (reactief))
o Elektronentransfer ubiquinone  cytochroom b cytochroom c
de energie pomt 4 H+ in intermembranaire ruimte (~1ATP)
o Cytochroom c= ook shuttle naar complex IV
probleem complex III: reductie cytochroom c (vit C elektronrijk)
- Complex IV (cytochroom c oxidase): binding e- en protonen aan zuurstof
(Cu= katalysator H2O
de energie pomt 4 H+ in intermembranaire ruimte (~1ATP)
probleem complex IV: geen O2 meer verbruikt, vorming toxische stoffen
- Complex IIV: hoogenergetische e- omgezet naar H2O en H+ naar
intermembranaire ruimte gepompt, maar nog geen ATP => complex V
- Complex V (ATPsynthase/ ATPase): concentratie- en ladingsverschil (door
complex I, III en IV) met verbruik van energie (NADH, H+ en FADH2) want
tegen gradient
complex V: H+ terugloop volgens gradient
Energietransfer via rotationele katalyse
• C-units in ring draaien door protonflux
• γ- en ε-subunits drijven conformatie van α/β subunits
• 3 paren α/β subunits binden ADP aan fosfaat
• Vrijstelling van ATP (ong 3 protonen per ATP)
- Probleem oxphos: zichtbaar in organen die veel energie nodig hebben
(vaak multisystemisch, lactaatacidose, gekoppeld aan Krebscyclus,
glycolyse en vetzuuroxidatie)
- Oxidatieve stress (te veel vrije radicalen en binden dan vb aan zuurstof,
overmaat ROS (zuurstofbevattende reactieve soorten) antioxidanten:
aromatische / zwavelrijke systemen, vit C, coenzyme Q10, reparatie
mechanisme,…)
Vb bij ischemie (zuurstoftekortgeen optimale oxphos)

2. Glycolyse
Biochemische pathway van sachariden

Koolhydraten/ sachariden/ suikers
- Monosachariden (brandstof, 1 suikermolecule, vb: glucose, fructose,
galactose), oligosachariden (vaak covalent gebonden aan lipiden en
eiwitten, zijn de opgebouwd op een klein aantal (3-9) monosachariden),
polysachariden (brandstofreserve extracellulaire matrix, groot aantal
monosachariden, vb: glycogeen)
- Disachariden: vb sucrose (glucose+fructose), maltose (glucose+glucose),
lactose (galactose+ glucose)