Energiemetabolisme
1.1. Biosynthese van ATP: aandrijving van het metabolisme
1.1.1. Biosynthese van ATP
via 2 wegen:
- zonder O2 (RBC, anaerobe spierwerking, hoornvlies…): substraat-level fosforylering → nuttig maar niet
efficiënt
- met O2: oxidatieve fosforylering
1.1.1.1. Fosforylering op substraatniveau (substraat-level fosforylering)
Vorming van hoog-energetische fosfaatbinding zonder gebruik van moleculaire zuurstof
Op 3 belangrijke plaatsen
- 2x in ANAEROBE glycolyse
- 1x in Krebs cyclus (GTP)
1. Fosfoglyceraatkinase reactie: glycolytische pathway
voldoende substraat nodig
1,3-bifosfaatglyceraat + ADP → 3-fosfoglyceraat + ATP
2. Pyruvaat kinase reactie: glycolytische pathway
fosfoenolpyruvaat + ADP → pyruvaat + ATP
G°’ van hydrolyse = - 14 kcal (exotherme reactie)
3. SuccinylCoA synthetase reactie: Krebs cyclus
succinylCoA + GDP → succinaat + GTP
waarbij nucleoside difosfaat kinase (biectioneel enzym) zorgt voor de reactie: GTP →ATP
Creatine-creatinefosfaat:
- belangrijkste bron voor ATP regeneratie
- reservoir voor hoog-energetische fosfaat
- in spieren en hersenen
- transfer van energierijke binding naar andere molecule
- zorgt voor ATP aanmaak bij tekort adhv creatine fosfaat reserve
- snelle vorming ATP bij hoog verbruik → energiebuffer
Creatinefosfaat:
- onstabiel
- spontane cyclisatie naar creatine via niet-enzymatisch proces
- constante excretie in urine → biomerker (CPK/CK)
CPK/CK:
- kwanitficatie verbindingen via urine
- diverse iso-enzymen
- dimeer opgebouwd uit 2 type polypeptideketens (muscle
chain en brain chain)
o 3 mogelijkheden: MM-MB-BB
o afhankelijk van verschillende distributie in
verschillende weefsels
o bepaalt enzymactiviteit
- aanwezig in spier en hersencellen
Troponines:
- eiwitten gelokaliseerd in myofibrillen
- bestaand uit 3 subunits:
o Troponine-C: binding aan Ca2+ (belangrijk voor spiercontractie) → niet hartspecifiek
o Troponine-T: binding aan tropomyosine
o Troponine-I: inhibitie binding actine-myosine → wel hartspecifiek (indicatie hartaanval)
1
,1.1.1.2. Oxidatieve fosforylering
Vorming van hoog-energetische fosfaatbinding met gebruik van moleculaire
zuurstof
Energie voor vorming energierijke fosfaatbinding voor ATP synthese door
1. oxidatie van brandstoffen + reductie van hydrogen carriers
2. heroxidatie in ademhalingsketen
Ademhalingsketen = elektronentransportketen + ATP synthase
elektronentransportketen ATP synthase
- op binnenste membraan mitochondriën
Hydrogen carriers = reducing equivalents = elektronen accepterende coenzymen NAD+ en FAD:
- accepteert elektron(en) met equivalente hoeveelheid waterstoffen van geoxideerde brandstof
- geven elektron(en) door aan O2 met bijhorende H
Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+/NADH):
- van vitamine niacine
- bij gekatalyseerde reacties door dehydrogenases
- NAD+ → NADH + H+ reduceren
- accepteert elektron als hydride anion → bij accepteren 2 elektronen ovv 2 H: → vrijstelling H+
- H+ diffundeert weg in intracellulaire medium
- NADP+ = NAD+ met extra fosfaatgroep op ribose deel
o zelfde eigenschappen
o geeft elektron af aan in biosynthetische of detoxificatie pathwyas ipv elektronen transportketen
Flavine adenine dinucleotide (FAD2+/FADH2):
- van vitamin riboflavin (vitB2)
- cofactor covalent gebonden aan dehydrogenase als prosthetische groep
- vb. succinaatDH: gebonden op binnenste membraan mitos
- FAD2+ → FADH2 reduceren
- accepteert electron 2x als H-atoom, wat zorgt voor reductie
1.2. Biosynthese van ATP: mitochondriale ademhalingsketen
1.2.1. Elektronentransport en oxidatieve fosforylering
Ademhalingsketen = serie redox reacties + ATP
synthase
Elektronen transport:
- oxidatie van NADH en FADH2
- transport elektron door keten met afgifte aan
O2 → reductie tot H2O
- in binnenste mitochondriale membraan voor
grote oppervlak → maximale ATP synthase
Bestaand uit complexen:
I of NADH-ubiquinone reductase
II of succinaat-ubiquinone reductase
III of ubiquinol-cytochroom C reductase
IV of Cytochroom C oxidase
Complexen verbonden door Ubiquinone (Q) en cytochroomC (C)
- mobiele moleculen die makkelijk door membraan diffunderen: é overbrengen + oplosbaar tussen complexen
Flavine mononucleotide (FMN):
- in complex I
Ubiquinone:
- transport elektron + H van complex I en II naar complex III als QH2
- ubiquinone → ubiquinol
Cytochroom C:
- transport elektron van complex III naar complex IV
2
,1.2.2. Proton extrusie en ATP synthase
CHEMIOSMOTISCHE HYPOTHESE VAN MITCHELL
Protonpompen in complex I, III en IV:
- aangedreven door elektronentransport
- van matrix kant naar intramembranaire kant
- ladingsscheiding tussen IM ruimte (H+) en matrix (-) → impermeabel membraan
o zeer hoog ladingsverschil
o pH verschil van 1,4 eenheden
Proton extrusie:
- transport van 2 elektronen (van NADH) → complexen I en III mogen elk 4 H+ in de intermembranaire ruimte
popmpen
- Elk 2 H+ uit matrix
o 2 in complex I van gereduceerde cofactor (via FMNH2 )
o 2 in complex III uit de matrix (via complex I en QH2) → geven complex IV ook kans om 2H+ te
pompen
- complex IV: elektronen reduceren O2
→ levert 10 H+ op
- FADH2:
o geen gebruik van complex I → 4H+ minder
o reducing equivalent rechtstreeks aan complex II
→ levert 6 H+ op
Reden stapsgewijze energieproductie:
- controleerbaar
- kwantificatie adhv reductiepotentiaal: indien in 1 keer productie → vrijgave niet-nuttig energie bv. warmte
Vrijgekomen energie bewaard in een bruikbare vorm ovv opgebouwd potentiaalverschil
- levert energie voor ATP synthese als de protonen terugkeren naar de matrix via F0/F1 partikels (de ATP-
synthase)
o H+ keren terug via F0 protonenkanaal waarbij F1 ATP synthase (ATPase) deel wordt geactiveerd:
ADP3- + HPO42- → ATP4-
ATPase (= complex IV):
- aangedreven door protongradiënt
- vorming ATP
- speciale structuur dat zorgt voor draaibeweging
o ATP synthase: draaibeweging zorgt voor ATP synthese
o ATPase: draaibeweging zorgt voor hydrolyse van ATP
3
, 1.2.2.1. ATP/ADP translocase
= ATP (of GTP) uitwisselen voor ADP (of GDP) over impermeabel binnenste
mitochondriaal membraan
- Ademhalingsketen: matrixkant van binnenste mitochondriaal membraan
- Gevormd ATP komt in matrix terecht
- Gekoppeld aan fosfaat carrier (symport van anorganisch fosfaat en H+)
Aangedreven door protongradiënt en potentiaalverschil over binnenste
mitochondriaal membraan
- Door verschillende lading op ATP4- en ADP3-: netto ladingsoverdracht = 1
negatieve lading van matrix naar intermembranaire ruimte
- Elektrogeen transport, aangedreven door elektrische compontente (=ladingen) van proton gradiënt
- Export ATP + import ADP bevoordeeld
Fosfaat carrier:
- netto transport van H3PO4 over binnenste mitochondriaal membraan in neutraal proces
- pH(IM) = 6 door grote concentratie H+ → H2PO4- predominant
- FOUT OP PLATEN: nooit H2PO42- !!
- Symport of antiport om neutraliteit te behouden
→ uitwisseling laat toe dat chemische componente (ΔH+) van protonengradiënt
opname van fosfaat in mitochondriale matrix aandrijft
→ netto effect van 2 transport processen: protonengradiënt drijft de import aan van ADP en fosfaat in het
mitochondrion, en de export van ATP uit het mitochondrion
→ KOSTPRIJS: 1H+ per gesynthetiseerde ATP (in rekening brengen bij oxidatieve fosforylering)
1.2.3. Energieopbrengst van redox reacties van ademhalingsketen
Energie beschikbaar van oxido-reductie reacties
- uitgedrukt als ΔE0' i.p.v. G0'
- Relatie: Wet van Nernst: G0' = - nF E0’
- Vrijgekomen energie (ΔE0' = 1,14V = 53 kcal) afgegeven in verschillende stappen
Reductiepotentiaal: maat voor energie vrijgegeven in volt wanneer een component elektronen aanneemt
- in metabole pathways: elektronen transfer van componenten met lage naar hoge reductiepotentiaal
- O2: beste elektronenacceptor (E0’ = 0,816)
- Hoe meer negatief E0’ is voor een
verbinding, des te meer energie beschikbaar
als deze zijn elektronen afgeeft aan O2
E0’ bij pH = 7
- O2 = 0,816
- NADH = -0,320 = 53 kcal = 2,5 ATP
- FADH2 = - 0,200 = 47 kcal = 1,5 ATP
1.2.4. Stoichometrie van ATP synthese
3H+ nodig om 1 ATP molecule aan te maken + 1 H+ verbruikt voor overdracht naar cytosol (ATP/ADP translocase)
→ 3H+/ATP aanmaak + 1H+/transport ATP = 4H+/ATP
P/O ratio:
= aantal ATP molecule gesynthetiseerd per verbruikt zuurstof atoom (1/2 O2 = 2 elektronen = 1 NADH = 1FADH2)
- NADH = 2,5 ATP → 4 H+/ ATP = 10/4 = 2,5
FADH2 = 1,5 ATP → 4 H+/ ATP = 6/4 = 1,5
- ¼ van energie gaat verloren aan ATP vorming
4
1.1. Biosynthese van ATP: aandrijving van het metabolisme
1.1.1. Biosynthese van ATP
via 2 wegen:
- zonder O2 (RBC, anaerobe spierwerking, hoornvlies…): substraat-level fosforylering → nuttig maar niet
efficiënt
- met O2: oxidatieve fosforylering
1.1.1.1. Fosforylering op substraatniveau (substraat-level fosforylering)
Vorming van hoog-energetische fosfaatbinding zonder gebruik van moleculaire zuurstof
Op 3 belangrijke plaatsen
- 2x in ANAEROBE glycolyse
- 1x in Krebs cyclus (GTP)
1. Fosfoglyceraatkinase reactie: glycolytische pathway
voldoende substraat nodig
1,3-bifosfaatglyceraat + ADP → 3-fosfoglyceraat + ATP
2. Pyruvaat kinase reactie: glycolytische pathway
fosfoenolpyruvaat + ADP → pyruvaat + ATP
G°’ van hydrolyse = - 14 kcal (exotherme reactie)
3. SuccinylCoA synthetase reactie: Krebs cyclus
succinylCoA + GDP → succinaat + GTP
waarbij nucleoside difosfaat kinase (biectioneel enzym) zorgt voor de reactie: GTP →ATP
Creatine-creatinefosfaat:
- belangrijkste bron voor ATP regeneratie
- reservoir voor hoog-energetische fosfaat
- in spieren en hersenen
- transfer van energierijke binding naar andere molecule
- zorgt voor ATP aanmaak bij tekort adhv creatine fosfaat reserve
- snelle vorming ATP bij hoog verbruik → energiebuffer
Creatinefosfaat:
- onstabiel
- spontane cyclisatie naar creatine via niet-enzymatisch proces
- constante excretie in urine → biomerker (CPK/CK)
CPK/CK:
- kwanitficatie verbindingen via urine
- diverse iso-enzymen
- dimeer opgebouwd uit 2 type polypeptideketens (muscle
chain en brain chain)
o 3 mogelijkheden: MM-MB-BB
o afhankelijk van verschillende distributie in
verschillende weefsels
o bepaalt enzymactiviteit
- aanwezig in spier en hersencellen
Troponines:
- eiwitten gelokaliseerd in myofibrillen
- bestaand uit 3 subunits:
o Troponine-C: binding aan Ca2+ (belangrijk voor spiercontractie) → niet hartspecifiek
o Troponine-T: binding aan tropomyosine
o Troponine-I: inhibitie binding actine-myosine → wel hartspecifiek (indicatie hartaanval)
1
,1.1.1.2. Oxidatieve fosforylering
Vorming van hoog-energetische fosfaatbinding met gebruik van moleculaire
zuurstof
Energie voor vorming energierijke fosfaatbinding voor ATP synthese door
1. oxidatie van brandstoffen + reductie van hydrogen carriers
2. heroxidatie in ademhalingsketen
Ademhalingsketen = elektronentransportketen + ATP synthase
elektronentransportketen ATP synthase
- op binnenste membraan mitochondriën
Hydrogen carriers = reducing equivalents = elektronen accepterende coenzymen NAD+ en FAD:
- accepteert elektron(en) met equivalente hoeveelheid waterstoffen van geoxideerde brandstof
- geven elektron(en) door aan O2 met bijhorende H
Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+/NADH):
- van vitamine niacine
- bij gekatalyseerde reacties door dehydrogenases
- NAD+ → NADH + H+ reduceren
- accepteert elektron als hydride anion → bij accepteren 2 elektronen ovv 2 H: → vrijstelling H+
- H+ diffundeert weg in intracellulaire medium
- NADP+ = NAD+ met extra fosfaatgroep op ribose deel
o zelfde eigenschappen
o geeft elektron af aan in biosynthetische of detoxificatie pathwyas ipv elektronen transportketen
Flavine adenine dinucleotide (FAD2+/FADH2):
- van vitamin riboflavin (vitB2)
- cofactor covalent gebonden aan dehydrogenase als prosthetische groep
- vb. succinaatDH: gebonden op binnenste membraan mitos
- FAD2+ → FADH2 reduceren
- accepteert electron 2x als H-atoom, wat zorgt voor reductie
1.2. Biosynthese van ATP: mitochondriale ademhalingsketen
1.2.1. Elektronentransport en oxidatieve fosforylering
Ademhalingsketen = serie redox reacties + ATP
synthase
Elektronen transport:
- oxidatie van NADH en FADH2
- transport elektron door keten met afgifte aan
O2 → reductie tot H2O
- in binnenste mitochondriale membraan voor
grote oppervlak → maximale ATP synthase
Bestaand uit complexen:
I of NADH-ubiquinone reductase
II of succinaat-ubiquinone reductase
III of ubiquinol-cytochroom C reductase
IV of Cytochroom C oxidase
Complexen verbonden door Ubiquinone (Q) en cytochroomC (C)
- mobiele moleculen die makkelijk door membraan diffunderen: é overbrengen + oplosbaar tussen complexen
Flavine mononucleotide (FMN):
- in complex I
Ubiquinone:
- transport elektron + H van complex I en II naar complex III als QH2
- ubiquinone → ubiquinol
Cytochroom C:
- transport elektron van complex III naar complex IV
2
,1.2.2. Proton extrusie en ATP synthase
CHEMIOSMOTISCHE HYPOTHESE VAN MITCHELL
Protonpompen in complex I, III en IV:
- aangedreven door elektronentransport
- van matrix kant naar intramembranaire kant
- ladingsscheiding tussen IM ruimte (H+) en matrix (-) → impermeabel membraan
o zeer hoog ladingsverschil
o pH verschil van 1,4 eenheden
Proton extrusie:
- transport van 2 elektronen (van NADH) → complexen I en III mogen elk 4 H+ in de intermembranaire ruimte
popmpen
- Elk 2 H+ uit matrix
o 2 in complex I van gereduceerde cofactor (via FMNH2 )
o 2 in complex III uit de matrix (via complex I en QH2) → geven complex IV ook kans om 2H+ te
pompen
- complex IV: elektronen reduceren O2
→ levert 10 H+ op
- FADH2:
o geen gebruik van complex I → 4H+ minder
o reducing equivalent rechtstreeks aan complex II
→ levert 6 H+ op
Reden stapsgewijze energieproductie:
- controleerbaar
- kwantificatie adhv reductiepotentiaal: indien in 1 keer productie → vrijgave niet-nuttig energie bv. warmte
Vrijgekomen energie bewaard in een bruikbare vorm ovv opgebouwd potentiaalverschil
- levert energie voor ATP synthese als de protonen terugkeren naar de matrix via F0/F1 partikels (de ATP-
synthase)
o H+ keren terug via F0 protonenkanaal waarbij F1 ATP synthase (ATPase) deel wordt geactiveerd:
ADP3- + HPO42- → ATP4-
ATPase (= complex IV):
- aangedreven door protongradiënt
- vorming ATP
- speciale structuur dat zorgt voor draaibeweging
o ATP synthase: draaibeweging zorgt voor ATP synthese
o ATPase: draaibeweging zorgt voor hydrolyse van ATP
3
, 1.2.2.1. ATP/ADP translocase
= ATP (of GTP) uitwisselen voor ADP (of GDP) over impermeabel binnenste
mitochondriaal membraan
- Ademhalingsketen: matrixkant van binnenste mitochondriaal membraan
- Gevormd ATP komt in matrix terecht
- Gekoppeld aan fosfaat carrier (symport van anorganisch fosfaat en H+)
Aangedreven door protongradiënt en potentiaalverschil over binnenste
mitochondriaal membraan
- Door verschillende lading op ATP4- en ADP3-: netto ladingsoverdracht = 1
negatieve lading van matrix naar intermembranaire ruimte
- Elektrogeen transport, aangedreven door elektrische compontente (=ladingen) van proton gradiënt
- Export ATP + import ADP bevoordeeld
Fosfaat carrier:
- netto transport van H3PO4 over binnenste mitochondriaal membraan in neutraal proces
- pH(IM) = 6 door grote concentratie H+ → H2PO4- predominant
- FOUT OP PLATEN: nooit H2PO42- !!
- Symport of antiport om neutraliteit te behouden
→ uitwisseling laat toe dat chemische componente (ΔH+) van protonengradiënt
opname van fosfaat in mitochondriale matrix aandrijft
→ netto effect van 2 transport processen: protonengradiënt drijft de import aan van ADP en fosfaat in het
mitochondrion, en de export van ATP uit het mitochondrion
→ KOSTPRIJS: 1H+ per gesynthetiseerde ATP (in rekening brengen bij oxidatieve fosforylering)
1.2.3. Energieopbrengst van redox reacties van ademhalingsketen
Energie beschikbaar van oxido-reductie reacties
- uitgedrukt als ΔE0' i.p.v. G0'
- Relatie: Wet van Nernst: G0' = - nF E0’
- Vrijgekomen energie (ΔE0' = 1,14V = 53 kcal) afgegeven in verschillende stappen
Reductiepotentiaal: maat voor energie vrijgegeven in volt wanneer een component elektronen aanneemt
- in metabole pathways: elektronen transfer van componenten met lage naar hoge reductiepotentiaal
- O2: beste elektronenacceptor (E0’ = 0,816)
- Hoe meer negatief E0’ is voor een
verbinding, des te meer energie beschikbaar
als deze zijn elektronen afgeeft aan O2
E0’ bij pH = 7
- O2 = 0,816
- NADH = -0,320 = 53 kcal = 2,5 ATP
- FADH2 = - 0,200 = 47 kcal = 1,5 ATP
1.2.4. Stoichometrie van ATP synthese
3H+ nodig om 1 ATP molecule aan te maken + 1 H+ verbruikt voor overdracht naar cytosol (ATP/ADP translocase)
→ 3H+/ATP aanmaak + 1H+/transport ATP = 4H+/ATP
P/O ratio:
= aantal ATP molecule gesynthetiseerd per verbruikt zuurstof atoom (1/2 O2 = 2 elektronen = 1 NADH = 1FADH2)
- NADH = 2,5 ATP → 4 H+/ ATP = 10/4 = 2,5
FADH2 = 1,5 ATP → 4 H+/ ATP = 6/4 = 1,5
- ¼ van energie gaat verloren aan ATP vorming
4
