Celfysiologie
Celfysiologie = levensverrichtingen van de cel.
Systeem voor ‘artificial life’ (in petrischaal)
1: zelf-assemblerende membranen
2: invang van energie aan/ binnen membraan (licht+pigment; chemische energie)
3: concentratie gradienten over de membraan (‘metabolische energie’)
4: membraan is selectief permeabel
5: synthese/ polymerisatie van macromoleculen uit simpele bouwstoffen
6: macromoleculaire katalysatoren (voor 5)
7: reproductie van de katalysatoren
8: opslag (‘genetische’) informatie
9: gebruik van 8 voor 7
10: mogelijkheid tot splitsing van systeem in eenheden die weer kunnen uitgroeien
11: overdracht van opgeslagen (‘genetische’) informatie bij 10
12: mogelijkheden tot ‘fouten’ (mutaties) en daarmee tot evolutie
Kenmerken van leven
- Hoge mate van ordening (moleculair) in een minder geordende omgeving
- Deze orde door het eerste leven nagelaten
- Orde handhaven kost energie, dus thermodynamica
Relatie tussen energie en orde
Thermodynamica
1e wet: hoeveelheid energie in het universum is constant, energie kan worden overgedragen
(transductie) en daarbij van vorm veranderen (transformatie) – behoud van energie.
e
2 wet: elke energieoverdracht binnen het universum leidt tot toename van entropie.
entropie: chaos, de structuur verdwijnt er ontstaat wanorde (delta S).
ijs water gas
Bij entropie is er een afwijking van de normale toestand.
De wetten werken alleen in een afgesloten systeem, zonder afhalen of toevoegen van
energie.
- De levende cel is een open systeem en heeft een lage entropie, waarom bestaat een cel
dan toch via de 2e hoofdwet? Een cel bevind zich in één groot afgesloten systeem, de
omgeving moet dan betrokken worden.
Een levende cel heeft orde en dus een lage entropie.
Bij een plaatselijke afname van entropie binnen een systeem, wordt de entropie aan de
omgeving groter.
De geordende toestand van de levende cel moet actief worden gehandhaafd wat
voortdurend energie kost.
, Celfysiologie
Metabolysme
Totaal aantal (fysische) chemische processen dat op een bepaald tijdstip verloopt.
- anabole reactie: kost energie, voor de synthese (opbouw) van stoffen (endotherm).
- katabole reactie: komt energie bij vrij, voor afbraak (exotherm).
Een deel van de energieoverdrachten behorend bij het metabolisme (stofwisseling) van een
cel moet worden aangewend om vrije val langs een entropiegradiënt tegen te gaan,
waardoor het metabolisme een kenmerk van de levende cel is.
Het metabolisme van de cel bestaat uit het totaal aan (fysisch) chemische processen dat op
een bepaald tijdstip verloopt.
Gibbs energie (G) ΔG = ΔH – T x ΔS
Energie die bij een biochemische reactie verbruikt of vrij komt.
ΔG = verandering in vrije energie (Gna - Gvoor) in J/mol
ΔH = verandering in enthalpie (energie-inhoud) J/mol, verandering in bindingselektronen
ΔS = verandering in entropie J/molxK
T = temperatuur in K (C+273,2), deze blijft in de biologie constant
ΔG < 0 = spontane reactie met vrij komende energie (exerogone - exotherm)
ΔG > 0 = energie toevoegen (endergone - endotherm)
Vb. reactie: aA + bB <----> cC + dD
ΔG = ΔGo + RTlnK
ΔG = ΔGo + 2,303 RT log(K)
K = [C]c x [D]d / [A]a x [B]b
R = gasconstante (8,315 J/molxK)
T = temperatuur
ΔGo = standaard vrije energieverandering
ΔG = ΔGo + RT ln(K) = 0
ΔGo = -RT ln(Keq)
Keq = e-ΔGo/RT
Gekoppelde reacties
- onmogelijke reacties laten verlopen door endotherme en exotherme reacties te koppelen.
- er moet wel een raakpunt tussen de reacties zijn (dezelfde stofverbindingen).
In de dierlijke cel komen 2 belangrijke energie dragers voor: creatinefosfaat als opslag voor
energie en ATP als overal inzetbaar energiepakketje.
Zij worden afhankelijk van behoefte of overschot in de cel in elkaar omgezet in de
zogenaamde creatine-kinase-reactie (2 gekoppelde reacties).
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Celfysiologie = levensverrichtingen van de cel.
Systeem voor ‘artificial life’ (in petrischaal)
1: zelf-assemblerende membranen
2: invang van energie aan/ binnen membraan (licht+pigment; chemische energie)
3: concentratie gradienten over de membraan (‘metabolische energie’)
4: membraan is selectief permeabel
5: synthese/ polymerisatie van macromoleculen uit simpele bouwstoffen
6: macromoleculaire katalysatoren (voor 5)
7: reproductie van de katalysatoren
8: opslag (‘genetische’) informatie
9: gebruik van 8 voor 7
10: mogelijkheid tot splitsing van systeem in eenheden die weer kunnen uitgroeien
11: overdracht van opgeslagen (‘genetische’) informatie bij 10
12: mogelijkheden tot ‘fouten’ (mutaties) en daarmee tot evolutie
Kenmerken van leven
- Hoge mate van ordening (moleculair) in een minder geordende omgeving
- Deze orde door het eerste leven nagelaten
- Orde handhaven kost energie, dus thermodynamica
Relatie tussen energie en orde
Thermodynamica
1e wet: hoeveelheid energie in het universum is constant, energie kan worden overgedragen
(transductie) en daarbij van vorm veranderen (transformatie) – behoud van energie.
e
2 wet: elke energieoverdracht binnen het universum leidt tot toename van entropie.
entropie: chaos, de structuur verdwijnt er ontstaat wanorde (delta S).
ijs water gas
Bij entropie is er een afwijking van de normale toestand.
De wetten werken alleen in een afgesloten systeem, zonder afhalen of toevoegen van
energie.
- De levende cel is een open systeem en heeft een lage entropie, waarom bestaat een cel
dan toch via de 2e hoofdwet? Een cel bevind zich in één groot afgesloten systeem, de
omgeving moet dan betrokken worden.
Een levende cel heeft orde en dus een lage entropie.
Bij een plaatselijke afname van entropie binnen een systeem, wordt de entropie aan de
omgeving groter.
De geordende toestand van de levende cel moet actief worden gehandhaafd wat
voortdurend energie kost.
, Celfysiologie
Metabolysme
Totaal aantal (fysische) chemische processen dat op een bepaald tijdstip verloopt.
- anabole reactie: kost energie, voor de synthese (opbouw) van stoffen (endotherm).
- katabole reactie: komt energie bij vrij, voor afbraak (exotherm).
Een deel van de energieoverdrachten behorend bij het metabolisme (stofwisseling) van een
cel moet worden aangewend om vrije val langs een entropiegradiënt tegen te gaan,
waardoor het metabolisme een kenmerk van de levende cel is.
Het metabolisme van de cel bestaat uit het totaal aan (fysisch) chemische processen dat op
een bepaald tijdstip verloopt.
Gibbs energie (G) ΔG = ΔH – T x ΔS
Energie die bij een biochemische reactie verbruikt of vrij komt.
ΔG = verandering in vrije energie (Gna - Gvoor) in J/mol
ΔH = verandering in enthalpie (energie-inhoud) J/mol, verandering in bindingselektronen
ΔS = verandering in entropie J/molxK
T = temperatuur in K (C+273,2), deze blijft in de biologie constant
ΔG < 0 = spontane reactie met vrij komende energie (exerogone - exotherm)
ΔG > 0 = energie toevoegen (endergone - endotherm)
Vb. reactie: aA + bB <----> cC + dD
ΔG = ΔGo + RTlnK
ΔG = ΔGo + 2,303 RT log(K)
K = [C]c x [D]d / [A]a x [B]b
R = gasconstante (8,315 J/molxK)
T = temperatuur
ΔGo = standaard vrije energieverandering
ΔG = ΔGo + RT ln(K) = 0
ΔGo = -RT ln(Keq)
Keq = e-ΔGo/RT
Gekoppelde reacties
- onmogelijke reacties laten verlopen door endotherme en exotherme reacties te koppelen.
- er moet wel een raakpunt tussen de reacties zijn (dezelfde stofverbindingen).
In de dierlijke cel komen 2 belangrijke energie dragers voor: creatinefosfaat als opslag voor
energie en ATP als overal inzetbaar energiepakketje.
Zij worden afhankelijk van behoefte of overschot in de cel in elkaar omgezet in de
zogenaamde creatine-kinase-reactie (2 gekoppelde reacties).
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
