Hoofdstuk 15, metabolisme: basisconcepten en ontwerp
Inleiding
Metabolisme, het netwerk aan chemische reacties, dat betrokken is bij het verkrijgen van energie uit
de omgeving en de opbouw van bouwstenen om macromoleculen te maken, wordt metabolisme
genoemd. Er zitten veel veelvoorkomende motieven in metabolisme. Denk bijvoorbeeld aan het
gebruik van ATP en de repeterende verschijning van een gelimiteerd aantal geactiveerde
intermediates. Verder is het aantal reacties in metabolisme groot, maar het aantal verschillende
soorten reacties is klein en de mechanismen hiervan zijn vaak vrij simpel. Daarbij worden metabole
pathways vaak op algemene wijze gereguleerd. Een paar algemene principes van metabolisme zijn:
1. Brandstoffen worden afgebroken en grote moleculen worden opgebouwd op een stap-na-
stap manier in een serie van gelinkte reacties, genaamd metabole pathways.
2. Adenosine trifosfaat (ATP) linkt energy-releasing en energy-requiring pathways aan elkaar.
3. De oxidatie van koolstof brandstoffen levert energie voor de vorming van ATP.
4. Desondanks het grote aantal metabole pathways, is er een gelimiteerd aantal type reacties
en komen bepaalde intermediates voor in meerdere pathways.
5. Metabole pathways worden sterk gereguleerd.
15.1 Metabolisme bestaat uit veel gekoppelde interconnected reacties
Input vrije energie, levende organismen hebben om 3 redenen een constante input van vrije energie
nodig:
1. De uitvoering van mechanisch werk, denk hierbij aan spiercontracties of cel bewegingen.
2. Het actieve transport van moleculen en ionen.
3. De synthese van macromoleculen en andere biomoleculen vanuit biologische precursors.
De vrije energie voor deze processen is afkomstig uit de omgeving.
Phototrophs, zijn organismen die aan fotosynthese doen en hun energie dus uit zonlicht halen.
Chemotrophs, halen energie uit de oxidatie van voedsel gegenereerd door fototrofen.
Metabolisme, kan eigenlijk gezien worden als een reeks aan chemische reacties die begint met een
bepaald molecuul en resulteert in de vorming van een ander molecuul/andere moleculen op een
gedefinieerde wijze. Er vinden veel van deze gedefinieerde pathways plaats in de cel en zij zijn
onderling afhankelijk (interdependent). De activiteit van deze pathways wordt gereguleerd door een
wijze van communicatie waarin allosterische enzymen een grote rol spelen.
Klassen metabole pathways, de metabole pathways kunnen in 2 klassen gescheiden worden:
1. Katabole pathways, zijn degene die energie van brandstoffen omzetten in biologische
bruikbare vormen.
2. Anabole pathways, hebben een input van energie nodig om plaats te kunnen vinden.
De bruikbare energie die in katabole pathways gegenereerd wordt, wordt in anabole processen
gebruikt om complexe structuren te verkrijgen uit simpele structuren of om energy-rich states te
verkrijgen uit energy-poor ones.
Amphibolic pathways, sommige pathways kunnen anabool of katabool zijn, afhankelijk van de
energiestatus van de cel. Deze worden amphibolic genoemd.
Biosynthese en degradatie pathways zijn bijna altijd duidelijke te onderscheiden. Deze scheiding is
van belang voor energetische redenen en faciliteert de controle van metabolisme.
Pathway, moet voldoen aan 2 criteria:
1. De individuele reacties moeten specifiek zijn. Een specifieke reactie zal enkel één bepaald
product of een set aan producten opleveren vanuit de reactanten.
2. De set aan reacties die de pathway omvat moet thermodynamically favored zijn (ΔG).
, Vrije energie, een reactie kan enkel spontaan plaatsvinden
als de verandering in vrije energie (ΔG) negatief is. Deze is
[𝐶][𝐷]
als volgt te berekenen: ∆𝐺 = ∆𝐺 0′ + 𝑅𝑇 ln [𝐴][𝐵]. De ΔG
van een reactie is dus afhankelijk van de ‘natuur’ van de reactanten en producten (∆𝐺 0′) en hun
concentraties. De algehele verandering in vrije energie van een serie chemische gekoppelde reacties
is gelijk aan de optelsom van de ΔG’s van elke individuele stap. Zo is rechts in de afbeelding te zien
dat een thermodynamisch ongunstige reactie gedreven kan worden door een thermodynamisch
gunstige reactie aan wie het gekoppeld is. In dit voorbeeld zijn de reacties gekoppeld door het
gezamenlijke chemische intermediate B.
E-module
Vragen, zie hieronder een paar vragen uit de e-module:
15.2 ATP is de universele energie valuta van vrije energie in biologische systemen
ATP, adenosine triphosphate, een deel van de vrije energie die afkomstig is van de oxidatie van
voedsel en licht wordt omgezet in ATP. Het dient als vrije energie donor in processen die energie
nodig hebben (actief transport, biosynthese en beweging).
Structuur ATP, ATP is een nucleotide bestaande uit adenine, een ribose en een trifosfaat eenheid. De
actieve vorm van ATP is in de vorm van een complex met Mg2+ of Mn2+. ATP is zo energie rijk door
zijn trifosfaat eenheid die twee phosphoanhydride bindingen bevat. Een grote hoeveelheid energie
komt vrij als ATP gehydroliseerd wordt tot adenosine difosfaat (ADP) en orthophosphate (Pi). Er komt
Inleiding
Metabolisme, het netwerk aan chemische reacties, dat betrokken is bij het verkrijgen van energie uit
de omgeving en de opbouw van bouwstenen om macromoleculen te maken, wordt metabolisme
genoemd. Er zitten veel veelvoorkomende motieven in metabolisme. Denk bijvoorbeeld aan het
gebruik van ATP en de repeterende verschijning van een gelimiteerd aantal geactiveerde
intermediates. Verder is het aantal reacties in metabolisme groot, maar het aantal verschillende
soorten reacties is klein en de mechanismen hiervan zijn vaak vrij simpel. Daarbij worden metabole
pathways vaak op algemene wijze gereguleerd. Een paar algemene principes van metabolisme zijn:
1. Brandstoffen worden afgebroken en grote moleculen worden opgebouwd op een stap-na-
stap manier in een serie van gelinkte reacties, genaamd metabole pathways.
2. Adenosine trifosfaat (ATP) linkt energy-releasing en energy-requiring pathways aan elkaar.
3. De oxidatie van koolstof brandstoffen levert energie voor de vorming van ATP.
4. Desondanks het grote aantal metabole pathways, is er een gelimiteerd aantal type reacties
en komen bepaalde intermediates voor in meerdere pathways.
5. Metabole pathways worden sterk gereguleerd.
15.1 Metabolisme bestaat uit veel gekoppelde interconnected reacties
Input vrije energie, levende organismen hebben om 3 redenen een constante input van vrije energie
nodig:
1. De uitvoering van mechanisch werk, denk hierbij aan spiercontracties of cel bewegingen.
2. Het actieve transport van moleculen en ionen.
3. De synthese van macromoleculen en andere biomoleculen vanuit biologische precursors.
De vrije energie voor deze processen is afkomstig uit de omgeving.
Phototrophs, zijn organismen die aan fotosynthese doen en hun energie dus uit zonlicht halen.
Chemotrophs, halen energie uit de oxidatie van voedsel gegenereerd door fototrofen.
Metabolisme, kan eigenlijk gezien worden als een reeks aan chemische reacties die begint met een
bepaald molecuul en resulteert in de vorming van een ander molecuul/andere moleculen op een
gedefinieerde wijze. Er vinden veel van deze gedefinieerde pathways plaats in de cel en zij zijn
onderling afhankelijk (interdependent). De activiteit van deze pathways wordt gereguleerd door een
wijze van communicatie waarin allosterische enzymen een grote rol spelen.
Klassen metabole pathways, de metabole pathways kunnen in 2 klassen gescheiden worden:
1. Katabole pathways, zijn degene die energie van brandstoffen omzetten in biologische
bruikbare vormen.
2. Anabole pathways, hebben een input van energie nodig om plaats te kunnen vinden.
De bruikbare energie die in katabole pathways gegenereerd wordt, wordt in anabole processen
gebruikt om complexe structuren te verkrijgen uit simpele structuren of om energy-rich states te
verkrijgen uit energy-poor ones.
Amphibolic pathways, sommige pathways kunnen anabool of katabool zijn, afhankelijk van de
energiestatus van de cel. Deze worden amphibolic genoemd.
Biosynthese en degradatie pathways zijn bijna altijd duidelijke te onderscheiden. Deze scheiding is
van belang voor energetische redenen en faciliteert de controle van metabolisme.
Pathway, moet voldoen aan 2 criteria:
1. De individuele reacties moeten specifiek zijn. Een specifieke reactie zal enkel één bepaald
product of een set aan producten opleveren vanuit de reactanten.
2. De set aan reacties die de pathway omvat moet thermodynamically favored zijn (ΔG).
, Vrije energie, een reactie kan enkel spontaan plaatsvinden
als de verandering in vrije energie (ΔG) negatief is. Deze is
[𝐶][𝐷]
als volgt te berekenen: ∆𝐺 = ∆𝐺 0′ + 𝑅𝑇 ln [𝐴][𝐵]. De ΔG
van een reactie is dus afhankelijk van de ‘natuur’ van de reactanten en producten (∆𝐺 0′) en hun
concentraties. De algehele verandering in vrije energie van een serie chemische gekoppelde reacties
is gelijk aan de optelsom van de ΔG’s van elke individuele stap. Zo is rechts in de afbeelding te zien
dat een thermodynamisch ongunstige reactie gedreven kan worden door een thermodynamisch
gunstige reactie aan wie het gekoppeld is. In dit voorbeeld zijn de reacties gekoppeld door het
gezamenlijke chemische intermediate B.
E-module
Vragen, zie hieronder een paar vragen uit de e-module:
15.2 ATP is de universele energie valuta van vrije energie in biologische systemen
ATP, adenosine triphosphate, een deel van de vrije energie die afkomstig is van de oxidatie van
voedsel en licht wordt omgezet in ATP. Het dient als vrije energie donor in processen die energie
nodig hebben (actief transport, biosynthese en beweging).
Structuur ATP, ATP is een nucleotide bestaande uit adenine, een ribose en een trifosfaat eenheid. De
actieve vorm van ATP is in de vorm van een complex met Mg2+ of Mn2+. ATP is zo energie rijk door
zijn trifosfaat eenheid die twee phosphoanhydride bindingen bevat. Een grote hoeveelheid energie
komt vrij als ATP gehydroliseerd wordt tot adenosine difosfaat (ADP) en orthophosphate (Pi). Er komt
