Biochemie II: de moleculaire processen van het leven
1. Basisconcepten en ontwerp van het metabolisme
1.1. Het metabolisme bestaat uit vele, onderling gekoppelde reacties
• Levende organismen staan in constante uitwisseling met hun omgeving
o Zowel materie als energie
• Voeding: bron van grondstoffen en vrije energie
o Afbraakproducten: komen vrij in het milieu en gerecycleerd
Doen dit in homeostatische toestand:
o Metabole homeostase: behoud van dynamische stabiele toestand door regulerende
mechanismen die veranderingen in externe omstandigheden compenseren.
• Metabolisme: volledige set van enzym-gekatalyseerde transformaties van moleculen in levende
cellen
o Totaal van alle afbrekende en biosynthetische cellulaire reacties
o Metabolische pathways: specifieke reactiepaden die reactietussenproducten
(metabolieten) bevatten
1.2. De cel heeft twee metabolische ‘snelwegen’, namelijk
katabolisme en anabolisme
• Katabolisme: pathways om energie te verkrijgen uit bronnen (afbraak/oxidatie van voedsel)
o Exergonisch (△G < 0 → spontaan)
o Oxidatiereacties om e- vrij te maken
▪ Worden opgevangen door elektronen carriers
o Genereren ATP
• Anabolisme: pathways om te synthetiseren (van complexe biomoleculen, of
aandrijven van onderliggende processen)
o Endergonisch (△G > 0 → niet spontaan)
o Gebruiken de geleverde e-
o Verbruiken ATP
Aërobe organismen oxideren hun brandstoffen (glucose, vetzuren en
aminozuren) tot H2O en CO2
o Doen aan cellulaire respiratie → verdeeld in 3 stadia:
▪ EXAMEN VRAAG: LEG DIE FOTO UIT
1. Afbraak van brandstoffen en vorming van Acetyl-CoA
o Grote brandstofmoleculen afbreken in koolstoffragmenten in de
vorm van Acetyl-CoA
o Suikers (glycolyse), vetten (bèta-oxidatie) en in extreme gevallen
(hongersnood) eiwitten
o Gebeurt in cytosol en mitochondriële matrix
2. Citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus)
o Acetyl-CoA groepen worden geoxideerd tot CO2
1
, o Energie die hierbij vrijkomt wordt niet opgeslagen als ATP, maar in hoogenergetische
elektronen
▪ Elektronen opgevangen door NAD+ en FAD (elektronendragers) → worden
gereduceerd tot NADH en FADH2
o Gebeurt in mitochondriële matrix
3. Oxidatieve Fosforylering (Elektronentransportketen)
o NADH en FADH2 geven hun e- af aan eiwitcomplexen in de mitochondriemembraan
▪ Eiwitten gebruiken de vrijgekomen energie om H + actief te pompen van de matrix
naar de intermembraanruimte → concentratiegradiënt van H+ ontstaat
o H+ willen terug → ATP voor nodig → ADP en Pi worden omgezet
O2 fungeert als de terminale e- -acceptor: accepteert energiearme e- en combineert het met H+ uit de
omgeving om water te vormen
o Zonder: elektronentransportketen stopt
• Oxidatiestatus van C hangt af van de EN van zijn covalente bindingspartner
o Met lagere EN → e- meer naar C
o Met hogere EN → e- meer naar andere atoom
o Met gelijke EN → e- gesplitst tussen 2 atomen
Hoe negatiever de oxidatiestatus, hoe rijker aan e- → hoe meer e- vrij bij oxidatie → hoe exergonischer
het oxidatieproces
o Vetzuren hebben meer e- dan suiker → kunnen meer ATP genereren
o Mens: enorm veel ATP nodig om biomoleculen aan te maken
Meer energie komt dus vrij, daarom is methaan ontvlambaar
1.3. Metabole routes komen voor op specifieke cellulaire locaties in
eukaryoten
Dit wordt vermeld tijdens het bespreken van de pathways
2
, 1.4. Metabole routes bevatten terugkerende motieven
• Gebruik een beperkt aantal reactietypes → 4 reactietypes
• Gebruik een beperkt aantal, veel voorkomende tussenproducten om de 2 routes met elkaar te
verbinden
1.4.1. Gebruik van beperkt aantal reactietypes
1.4.1.1. Redoxreacties (OR)
• Gekatalyseerd door oxidoreductasen
• Elektronen tussen reactanten uitgewisseld
o Aox + e- ⇌ Ared
o Bred ⇌ Box + e-
▪ Reductant = e-- donor → wordt geoxideerd
▪ Oxidant = e-- acceptor → wordt gereduceerd
• Vaak synoniem met dehydrogenatie → gekatalyseerd door dehydrogenases (type oxidoreductasen)
• Op 4 manieren overgedragen
o Direct als e-
▪ Bv. Fe2+ + Cu2+ ⇌ Fe3+ + Cu+
o Als waterstofatomen (want H bestaat uit een proton en een elektron)
▪ Bv. AH2 ⇌ A + 2 e- + 2 H+ ⇌ A + 2 H
o Als hydride-ion (waterstof met 2 elektronen)
▪ Bv. AH2 ⇌ A + 2 e- + 2 H+ ⇌ A + H-
o Directe combinatie met zuurstof (combineert met een reductiemiddel en wordt covalent in
het product opgenomen)
▪ Bv. R-CH3 + ½ O2 ⇌ R-CH2-OH
Voorbeeld: omzetting pyruvaat naar lactaat d.m.v. lactaatdehydrogenase:
• Pyruvaat = oxidator
• NADH = reductiemiddel
1.4.1.2. Groep-transfer reactie (GT)
• Gekatalyseerd door transferasen
o Kinasen, fosfatasen, glycosylasen, glycosidasen, fosforylasen, thiolasen en
hydrolasen
• Overdracht van een groep (acyl, glycosyl, fosforyl, …) van het ene nucleofiel naar de andere
o Nucleofiele substitutie
Voorbeeld: omzetting van glucose naar glucose-6-fosfaat d.m.v. hexokinase
Niet omdat een groep wordt overgezet dat het enzyme een transferase is
o Bv. AMP wordt vastgekoppeld aan een AZ en daarna terug afgehaald → tijdelijke transfer,
zonder LG-overdracht
3
, 1.4.1.3. Interne herschikking en isomerisatiereactie (IIR)
• Gekatalyseerd door isomerasen, epimerasen en mutasen
• Herschikking van bepaalde atomen binnen een molecuul
o Herverdeling van e- zonder oxidatietoestand te veranderen
o Om molecule voor te bereiden op volgende reacties
Voorbeeld: omzetting van 3-fosfoglyceraat naar 2-fosfoglyceraat d.m.v. fosfoglyceraatmutase
1.4.1.4. Koolstof-koolstof makende of brekende reacties (CC)
• Gekatalyseerd door lyasen, synthasen, synthetasen en ligasen
• Breken of vormen van bindingen tussen 2 koolstoffen of een koolstof binding met zuurstof, stikstof of
zwavel)
• Homolytische splitsing → vorming van radicalen
• Heterolytische splitsing → vorming van ionen
o Carbanion vergemakkelijkt delokalisatie van de negatieve lading
• Reactievormen van koolstof zeer onstabiel → enkel mogelijk door ‘chemisch hulp’
Voorbeeld: omzetting van acetyl-CoA en oxaalacetaat naar citraat d.m.v. citraatsynthase
1.4.2. Beperkt aantal veelvoorkomende tussenproducten
• EXAMEN: welk molecule is dit en voor wat dient dit
1.4.2.1. NADH
• Nicotinamide adenine dinucleotide
• Geactiveerde drager van e- voor brandstofoxidatie en ATP-opwekking
• Reactieve deel: nicotinamide-ring
• NAD+ = geoxideerde vorm NADH = gereduceerde vorm
• NADH absorbeert bij 340 nm → NAD+ niet
o Bepalen hoeveel aanwezig is door spectrometrie
• Binden losjes aan enzymen → gebruikt als co-enzym → makkelijk diffunderen
4
1. Basisconcepten en ontwerp van het metabolisme
1.1. Het metabolisme bestaat uit vele, onderling gekoppelde reacties
• Levende organismen staan in constante uitwisseling met hun omgeving
o Zowel materie als energie
• Voeding: bron van grondstoffen en vrije energie
o Afbraakproducten: komen vrij in het milieu en gerecycleerd
Doen dit in homeostatische toestand:
o Metabole homeostase: behoud van dynamische stabiele toestand door regulerende
mechanismen die veranderingen in externe omstandigheden compenseren.
• Metabolisme: volledige set van enzym-gekatalyseerde transformaties van moleculen in levende
cellen
o Totaal van alle afbrekende en biosynthetische cellulaire reacties
o Metabolische pathways: specifieke reactiepaden die reactietussenproducten
(metabolieten) bevatten
1.2. De cel heeft twee metabolische ‘snelwegen’, namelijk
katabolisme en anabolisme
• Katabolisme: pathways om energie te verkrijgen uit bronnen (afbraak/oxidatie van voedsel)
o Exergonisch (△G < 0 → spontaan)
o Oxidatiereacties om e- vrij te maken
▪ Worden opgevangen door elektronen carriers
o Genereren ATP
• Anabolisme: pathways om te synthetiseren (van complexe biomoleculen, of
aandrijven van onderliggende processen)
o Endergonisch (△G > 0 → niet spontaan)
o Gebruiken de geleverde e-
o Verbruiken ATP
Aërobe organismen oxideren hun brandstoffen (glucose, vetzuren en
aminozuren) tot H2O en CO2
o Doen aan cellulaire respiratie → verdeeld in 3 stadia:
▪ EXAMEN VRAAG: LEG DIE FOTO UIT
1. Afbraak van brandstoffen en vorming van Acetyl-CoA
o Grote brandstofmoleculen afbreken in koolstoffragmenten in de
vorm van Acetyl-CoA
o Suikers (glycolyse), vetten (bèta-oxidatie) en in extreme gevallen
(hongersnood) eiwitten
o Gebeurt in cytosol en mitochondriële matrix
2. Citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus)
o Acetyl-CoA groepen worden geoxideerd tot CO2
1
, o Energie die hierbij vrijkomt wordt niet opgeslagen als ATP, maar in hoogenergetische
elektronen
▪ Elektronen opgevangen door NAD+ en FAD (elektronendragers) → worden
gereduceerd tot NADH en FADH2
o Gebeurt in mitochondriële matrix
3. Oxidatieve Fosforylering (Elektronentransportketen)
o NADH en FADH2 geven hun e- af aan eiwitcomplexen in de mitochondriemembraan
▪ Eiwitten gebruiken de vrijgekomen energie om H + actief te pompen van de matrix
naar de intermembraanruimte → concentratiegradiënt van H+ ontstaat
o H+ willen terug → ATP voor nodig → ADP en Pi worden omgezet
O2 fungeert als de terminale e- -acceptor: accepteert energiearme e- en combineert het met H+ uit de
omgeving om water te vormen
o Zonder: elektronentransportketen stopt
• Oxidatiestatus van C hangt af van de EN van zijn covalente bindingspartner
o Met lagere EN → e- meer naar C
o Met hogere EN → e- meer naar andere atoom
o Met gelijke EN → e- gesplitst tussen 2 atomen
Hoe negatiever de oxidatiestatus, hoe rijker aan e- → hoe meer e- vrij bij oxidatie → hoe exergonischer
het oxidatieproces
o Vetzuren hebben meer e- dan suiker → kunnen meer ATP genereren
o Mens: enorm veel ATP nodig om biomoleculen aan te maken
Meer energie komt dus vrij, daarom is methaan ontvlambaar
1.3. Metabole routes komen voor op specifieke cellulaire locaties in
eukaryoten
Dit wordt vermeld tijdens het bespreken van de pathways
2
, 1.4. Metabole routes bevatten terugkerende motieven
• Gebruik een beperkt aantal reactietypes → 4 reactietypes
• Gebruik een beperkt aantal, veel voorkomende tussenproducten om de 2 routes met elkaar te
verbinden
1.4.1. Gebruik van beperkt aantal reactietypes
1.4.1.1. Redoxreacties (OR)
• Gekatalyseerd door oxidoreductasen
• Elektronen tussen reactanten uitgewisseld
o Aox + e- ⇌ Ared
o Bred ⇌ Box + e-
▪ Reductant = e-- donor → wordt geoxideerd
▪ Oxidant = e-- acceptor → wordt gereduceerd
• Vaak synoniem met dehydrogenatie → gekatalyseerd door dehydrogenases (type oxidoreductasen)
• Op 4 manieren overgedragen
o Direct als e-
▪ Bv. Fe2+ + Cu2+ ⇌ Fe3+ + Cu+
o Als waterstofatomen (want H bestaat uit een proton en een elektron)
▪ Bv. AH2 ⇌ A + 2 e- + 2 H+ ⇌ A + 2 H
o Als hydride-ion (waterstof met 2 elektronen)
▪ Bv. AH2 ⇌ A + 2 e- + 2 H+ ⇌ A + H-
o Directe combinatie met zuurstof (combineert met een reductiemiddel en wordt covalent in
het product opgenomen)
▪ Bv. R-CH3 + ½ O2 ⇌ R-CH2-OH
Voorbeeld: omzetting pyruvaat naar lactaat d.m.v. lactaatdehydrogenase:
• Pyruvaat = oxidator
• NADH = reductiemiddel
1.4.1.2. Groep-transfer reactie (GT)
• Gekatalyseerd door transferasen
o Kinasen, fosfatasen, glycosylasen, glycosidasen, fosforylasen, thiolasen en
hydrolasen
• Overdracht van een groep (acyl, glycosyl, fosforyl, …) van het ene nucleofiel naar de andere
o Nucleofiele substitutie
Voorbeeld: omzetting van glucose naar glucose-6-fosfaat d.m.v. hexokinase
Niet omdat een groep wordt overgezet dat het enzyme een transferase is
o Bv. AMP wordt vastgekoppeld aan een AZ en daarna terug afgehaald → tijdelijke transfer,
zonder LG-overdracht
3
, 1.4.1.3. Interne herschikking en isomerisatiereactie (IIR)
• Gekatalyseerd door isomerasen, epimerasen en mutasen
• Herschikking van bepaalde atomen binnen een molecuul
o Herverdeling van e- zonder oxidatietoestand te veranderen
o Om molecule voor te bereiden op volgende reacties
Voorbeeld: omzetting van 3-fosfoglyceraat naar 2-fosfoglyceraat d.m.v. fosfoglyceraatmutase
1.4.1.4. Koolstof-koolstof makende of brekende reacties (CC)
• Gekatalyseerd door lyasen, synthasen, synthetasen en ligasen
• Breken of vormen van bindingen tussen 2 koolstoffen of een koolstof binding met zuurstof, stikstof of
zwavel)
• Homolytische splitsing → vorming van radicalen
• Heterolytische splitsing → vorming van ionen
o Carbanion vergemakkelijkt delokalisatie van de negatieve lading
• Reactievormen van koolstof zeer onstabiel → enkel mogelijk door ‘chemisch hulp’
Voorbeeld: omzetting van acetyl-CoA en oxaalacetaat naar citraat d.m.v. citraatsynthase
1.4.2. Beperkt aantal veelvoorkomende tussenproducten
• EXAMEN: welk molecule is dit en voor wat dient dit
1.4.2.1. NADH
• Nicotinamide adenine dinucleotide
• Geactiveerde drager van e- voor brandstofoxidatie en ATP-opwekking
• Reactieve deel: nicotinamide-ring
• NAD+ = geoxideerde vorm NADH = gereduceerde vorm
• NADH absorbeert bij 340 nm → NAD+ niet
o Bepalen hoeveel aanwezig is door spectrometrie
• Binden losjes aan enzymen → gebruikt als co-enzym → makkelijk diffunderen
4
