Bron: Van Lint, J. (2019). Metabolisme en metabole regeling: (B-KUL-K09B2B).
H1: bio-energetica
1.1. De energetische logica van het leven
1.1.1. Energieproductie en consumptie in het metabolisme
- Cellen en organismen afhankelijk van constante toevoer van energie
↳ verval naar laagst mogelijke energietoestand tegengaan
- Energie nodig:
=> Info opslaan en tot expressie brengen => Gehele cel + organellen doen bewegen
=> Uitvoeren biosynthetische reacties => Onevenwicht buitenwereld behouden
1.1.1.1. Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
- Concentraties binnen en buiten verschillen
↳ cel moet actief bepaalde stoffen naar binnen / naar buiten pompen energie
- Chemische compositie: synthese of opname van bv. hemoglobine
↳ constant in de tijd
↳ populatie moleculen verre van statisch
- Continue stroom massa en energie doorheen systeem
↳ afbraak en synthese moleculen in continue stroom van reacties
- Dynamische steady state energie nodig voor onderhoud
1.1.1.2. Levende org.: open systemen die energie & materie uit hun omgeving transformeren
- Levend organisme = open systeem
↳ nemen chemische brandstoffen op, extraheren energie door oxidatie
↳ absorberen energie uit zonlicht
- Cellen zetten energie zeer effectief om
- Tijdens metabole energieomzettingen stijgt de wanorde v.h. systeem en de omgeving
↳ potentiële energie voedingsmolecule daalt
a) Extraheren energie uit omgeving d) Eindproducten minder goed
b) Omzetten in bruikbare energievorm arbeid georganiseerd
c) Afgifte e) Complexe macromoleculen
1.1.1.3. Fotosynthese en respiratie
- (In)direct energie uit stralingsenergie thermonucleaire fusiereacties zon
1
,Bron: Van Lint, J. (2019). Metabolisme en metabole regeling: (B-KUL-K09B2B).
Fotosynthese Respiratie
1) Organismen (afhankelijk van elkaar) 1) Energie door oxideren energierijke
vangen lichtenergie fotosyntheseproducten
2) Gebruikt om elektronen van water door 2) Elektronen doorgeven aan O2
te geven aan CO2 3) Water en CO2 gevormd
3) Vorming energierijke producten 4) Kan teruggebracht worden tot flow van
(zetmeel, sucrose) elektronen
4) O2 vrijgesteld in atmosfeer
1.1.1.4. De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Hydrogeneringsreacties: Dehydrogeneringsreacties:
- A + e- + H+ AH - AH A + e- + H+
- Reductie - Oxidatie
- Winnen elektronen - Verliezen elektronen
Oxidatie-reductiereacties:
- ‘Bergafwaartse’ elektronenflow - Stapsgewijze oxidatie van moleculen
- Aangedreven door batterijen ↳ nuttige hoeveelheden energie extraheren
1.1.1.5. Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar
a) Mechanisch
↳ hoeveelheid energie beschikbaar voor arbeid is kleiner warmte verloren
b) Chemisch
↳ energievrijstellende (exergone) en energievergende (endergone) reactie
1.1.1.6. Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP, NADH)
- Energie gestockeerd in chemische bindingsenergie
↳ diffunderen snel door de cel naar de plaats waar nodig
↳ transfereerbare groep of hoge-energie-elektronen
- Vorming gekoppeld aan energetisch gunstige reactie
↳ enzymen: vrije energie door oxidatie chemisch bruikbare vorm
↳ potentiële opgeslagen energie later gebruikt als chemische arbeid
1.1.1.7. Enzymen bevorderen ketens van reacties
Enzymen:
- Specifiek en regelbaar
↳ specifiek bepaalde activeringsbarrières verlagen
- Binding breken transitietoestand (hogere vrije energie + hoogste punt)
↳ activeringsenergie geleverd door verwarming
2
,Bron: Van Lint, J. (2019). Metabolisme en metabole regeling: (B-KUL-K09B2B).
↳ kinetische energie en botsingsfrequentie stijgen
- Nabijheids- en oriëntatie-effecten
= 2 reagentia die op een stereospecifieke manier aan enzymoppervlak binden, vergroten
de waarschijnlijkheid van reageren met enkele grootteorden
- Bindingsproces: aan enzymen verandering in moleculaire vorm
↳ richting transitietoestand
↳ verlaagde activeringsenergie
↳ versnelde reactiesnelheid door gebruik bindingseffecten
- Gevolg werking enzymen: scheppen orde in vele mogelijke richtingen
Hoe vinden enzymen specifiek hun substraat?:
- Actieve site waarop substraat zal binden en de reactie bevorderd wordt
- Gehele netweerk van door enzym gekatalyseerde pathways = metabolisme
↳ katabole pathways = starten met voedingsstoffen
↳ anabole pathways = starten met kleine bouwstenen
1.1.1.8. Metabolisme wordt geregeld om balans en zuinigheid te bevorderen
- Cellen synthetiseren moleculen op de juiste concentraties
↳ sleutelenzymen produceren precursormoleculen in mate die overeenstemt met noden
v.d. cel
- Cellen regelen synthese katalysten (enzymen) via beïnvloeding genexpressie
↳ synthese enzymeiwit aan- of uitgezet
↳ zelfregelende + zelfaanpassende eigenschappen dynamische steady state behouden
1.2. Thermodynamische basisprincipes van de bio-energetica
1.2.1. Waarom thermodynamica bestuderen?
- Logica begrijpen achter leven
↳ bv. glycogeen lactaat in spier en omgekeerd
1.2.2. Biologische energieomzettingen gehoorzamen de wetten van de thermodynamica
1.2.2.1. Basisbegrippen en terminologie
- Universum = systeem en zijn omgeving
↳ systeem = alles wat zich binnen een gedefinieerde regio in de ruimte bevindt
1.2.2.2. Thermodynamische situering van het leven
- Biosynthese nodig = aanhoudende stroom van reacties
↳ energie en atomen nodig om orde te creëren
3
, Bron: Van Lint, J. (2019). Metabolisme en metabole regeling: (B-KUL-K09B2B).
↳ reacties bevorderd door enzymen want normaal temperatuursafhankelijk
1.2.2.3. Biologische orde en de tweede wet van de thermodynamica
= de wanorde van het universum kan alleen maar toenemen
= systemen zullen spontaan veranderen naar die schikkingen die het warschijnlijkst zijn
= systemen zullen spontaan evolueren naar die schikkingen met de grootste entropie
Waarom overtreden cellen deze wet niet?
- Geen geïsoleerde systemen
- Gebruiken opgenomen energie om orde te scheppen binnenin de cel
- Warmte komt vrij in de omgeving toename entropie buiten de cel
1.2.2.4. Biologische energieomzettingen en de eerste wet van de thermodynamica
= energie kan niet worden geschapen of vernietigd, het kan enkel worden omgezet van de
ene vorm in de andere
1.2.2.5. Vrije energie – een hypothetisch begrip maar een zeer nuttig hulpmiddel
Nut van de 2e wet in biologische context
- Energieveranderingen en entropieveranderingen
↳ richting proces bepalen
Gibss vrije energie
∆ G = ∆ H - T∆ S
- Hoge H veel warmte toevoegen om binding te breken
↳ binding = energierijk
- Vrije energie = energie beschikbaar voor het verrichten van arbeid
↳ spontaan indien resulteert in nettostijging van de wanorde v.h. universum
↳ ∆G < 0
- Wanorde stijgt wanneer bruikbare energie verloren gaat als warmte
↳ spontaan bij vrijstelling warmte
Waarom bezitten moleculen vrije energie?
- Vibraties - Translaties
- Rotaties - Energie opgeslagen in de bindingen
Samenspel entropie en enthalpie
Manieren om wanorde in de cel te veroorzaken?
1) Verandering in bindingsenergie warmte vrijgesteld
2) Orde in reagerende moleculen laten afnemen
↳ lange keten afbreken
4
H1: bio-energetica
1.1. De energetische logica van het leven
1.1.1. Energieproductie en consumptie in het metabolisme
- Cellen en organismen afhankelijk van constante toevoer van energie
↳ verval naar laagst mogelijke energietoestand tegengaan
- Energie nodig:
=> Info opslaan en tot expressie brengen => Gehele cel + organellen doen bewegen
=> Uitvoeren biosynthetische reacties => Onevenwicht buitenwereld behouden
1.1.1.1. Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
- Concentraties binnen en buiten verschillen
↳ cel moet actief bepaalde stoffen naar binnen / naar buiten pompen energie
- Chemische compositie: synthese of opname van bv. hemoglobine
↳ constant in de tijd
↳ populatie moleculen verre van statisch
- Continue stroom massa en energie doorheen systeem
↳ afbraak en synthese moleculen in continue stroom van reacties
- Dynamische steady state energie nodig voor onderhoud
1.1.1.2. Levende org.: open systemen die energie & materie uit hun omgeving transformeren
- Levend organisme = open systeem
↳ nemen chemische brandstoffen op, extraheren energie door oxidatie
↳ absorberen energie uit zonlicht
- Cellen zetten energie zeer effectief om
- Tijdens metabole energieomzettingen stijgt de wanorde v.h. systeem en de omgeving
↳ potentiële energie voedingsmolecule daalt
a) Extraheren energie uit omgeving d) Eindproducten minder goed
b) Omzetten in bruikbare energievorm arbeid georganiseerd
c) Afgifte e) Complexe macromoleculen
1.1.1.3. Fotosynthese en respiratie
- (In)direct energie uit stralingsenergie thermonucleaire fusiereacties zon
1
,Bron: Van Lint, J. (2019). Metabolisme en metabole regeling: (B-KUL-K09B2B).
Fotosynthese Respiratie
1) Organismen (afhankelijk van elkaar) 1) Energie door oxideren energierijke
vangen lichtenergie fotosyntheseproducten
2) Gebruikt om elektronen van water door 2) Elektronen doorgeven aan O2
te geven aan CO2 3) Water en CO2 gevormd
3) Vorming energierijke producten 4) Kan teruggebracht worden tot flow van
(zetmeel, sucrose) elektronen
4) O2 vrijgesteld in atmosfeer
1.1.1.4. De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Hydrogeneringsreacties: Dehydrogeneringsreacties:
- A + e- + H+ AH - AH A + e- + H+
- Reductie - Oxidatie
- Winnen elektronen - Verliezen elektronen
Oxidatie-reductiereacties:
- ‘Bergafwaartse’ elektronenflow - Stapsgewijze oxidatie van moleculen
- Aangedreven door batterijen ↳ nuttige hoeveelheden energie extraheren
1.1.1.5. Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar
a) Mechanisch
↳ hoeveelheid energie beschikbaar voor arbeid is kleiner warmte verloren
b) Chemisch
↳ energievrijstellende (exergone) en energievergende (endergone) reactie
1.1.1.6. Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP, NADH)
- Energie gestockeerd in chemische bindingsenergie
↳ diffunderen snel door de cel naar de plaats waar nodig
↳ transfereerbare groep of hoge-energie-elektronen
- Vorming gekoppeld aan energetisch gunstige reactie
↳ enzymen: vrije energie door oxidatie chemisch bruikbare vorm
↳ potentiële opgeslagen energie later gebruikt als chemische arbeid
1.1.1.7. Enzymen bevorderen ketens van reacties
Enzymen:
- Specifiek en regelbaar
↳ specifiek bepaalde activeringsbarrières verlagen
- Binding breken transitietoestand (hogere vrije energie + hoogste punt)
↳ activeringsenergie geleverd door verwarming
2
,Bron: Van Lint, J. (2019). Metabolisme en metabole regeling: (B-KUL-K09B2B).
↳ kinetische energie en botsingsfrequentie stijgen
- Nabijheids- en oriëntatie-effecten
= 2 reagentia die op een stereospecifieke manier aan enzymoppervlak binden, vergroten
de waarschijnlijkheid van reageren met enkele grootteorden
- Bindingsproces: aan enzymen verandering in moleculaire vorm
↳ richting transitietoestand
↳ verlaagde activeringsenergie
↳ versnelde reactiesnelheid door gebruik bindingseffecten
- Gevolg werking enzymen: scheppen orde in vele mogelijke richtingen
Hoe vinden enzymen specifiek hun substraat?:
- Actieve site waarop substraat zal binden en de reactie bevorderd wordt
- Gehele netweerk van door enzym gekatalyseerde pathways = metabolisme
↳ katabole pathways = starten met voedingsstoffen
↳ anabole pathways = starten met kleine bouwstenen
1.1.1.8. Metabolisme wordt geregeld om balans en zuinigheid te bevorderen
- Cellen synthetiseren moleculen op de juiste concentraties
↳ sleutelenzymen produceren precursormoleculen in mate die overeenstemt met noden
v.d. cel
- Cellen regelen synthese katalysten (enzymen) via beïnvloeding genexpressie
↳ synthese enzymeiwit aan- of uitgezet
↳ zelfregelende + zelfaanpassende eigenschappen dynamische steady state behouden
1.2. Thermodynamische basisprincipes van de bio-energetica
1.2.1. Waarom thermodynamica bestuderen?
- Logica begrijpen achter leven
↳ bv. glycogeen lactaat in spier en omgekeerd
1.2.2. Biologische energieomzettingen gehoorzamen de wetten van de thermodynamica
1.2.2.1. Basisbegrippen en terminologie
- Universum = systeem en zijn omgeving
↳ systeem = alles wat zich binnen een gedefinieerde regio in de ruimte bevindt
1.2.2.2. Thermodynamische situering van het leven
- Biosynthese nodig = aanhoudende stroom van reacties
↳ energie en atomen nodig om orde te creëren
3
, Bron: Van Lint, J. (2019). Metabolisme en metabole regeling: (B-KUL-K09B2B).
↳ reacties bevorderd door enzymen want normaal temperatuursafhankelijk
1.2.2.3. Biologische orde en de tweede wet van de thermodynamica
= de wanorde van het universum kan alleen maar toenemen
= systemen zullen spontaan veranderen naar die schikkingen die het warschijnlijkst zijn
= systemen zullen spontaan evolueren naar die schikkingen met de grootste entropie
Waarom overtreden cellen deze wet niet?
- Geen geïsoleerde systemen
- Gebruiken opgenomen energie om orde te scheppen binnenin de cel
- Warmte komt vrij in de omgeving toename entropie buiten de cel
1.2.2.4. Biologische energieomzettingen en de eerste wet van de thermodynamica
= energie kan niet worden geschapen of vernietigd, het kan enkel worden omgezet van de
ene vorm in de andere
1.2.2.5. Vrije energie – een hypothetisch begrip maar een zeer nuttig hulpmiddel
Nut van de 2e wet in biologische context
- Energieveranderingen en entropieveranderingen
↳ richting proces bepalen
Gibss vrije energie
∆ G = ∆ H - T∆ S
- Hoge H veel warmte toevoegen om binding te breken
↳ binding = energierijk
- Vrije energie = energie beschikbaar voor het verrichten van arbeid
↳ spontaan indien resulteert in nettostijging van de wanorde v.h. universum
↳ ∆G < 0
- Wanorde stijgt wanneer bruikbare energie verloren gaat als warmte
↳ spontaan bij vrijstelling warmte
Waarom bezitten moleculen vrije energie?
- Vibraties - Translaties
- Rotaties - Energie opgeslagen in de bindingen
Samenspel entropie en enthalpie
Manieren om wanorde in de cel te veroorzaken?
1) Verandering in bindingsenergie warmte vrijgesteld
2) Orde in reagerende moleculen laten afnemen
↳ lange keten afbreken
4
