BIOCHEMIE
METABOLISME: BASISCONCEPTEN EN DESIGN
Inleiding
Een oneindig aantal boeken kan geschreven worden met slechts een beperkt aantal letters (26).
Op dezelfde manier wordt de complexe biochemie van een cel, het intermediaire metabolisme, opgebouwd uit een
beperkt aantal terugkerende motieven, reacties en moleculen.
Rol: omzetting van omgevingsenergie in cellulaire energie ‘ATP’
ATP (adenosine trifosfaat)!!!
Een nucleotide dat bestaat uit:
een heterocyclische stikstofbase
een fosfaatgroep
een pentose (suikergroep met 5 koolstofatomen, C5)
kan omgezet worden in CAMP (cyclisch adenosinemonofosfaat), belangrijke signaalmolecule in cellulaire processen.
DNA = een polynucleotiden (een keten van nucleotiden)
Functie: energieleverancier en overdracht van genetische informatie
Hoe haalt een cel energie en reductiekracht uit zijn omgeving?
Hoe synthetiseert een cel bouwstenen van zijn macromoleculen en vervolgens de macromoleculen zelf?
Deze processen worden uitgevoerd door een sterk geïntegreerd netwerk van chemische reacties
= intermediair metabolisme
Het totaal aantal reacties in het metabolisme is groot, maar het aantal soorten reacties klein + de mechanismen ervan
zijn vrij eenvoudig. Bovendien worden metabole paden op vergelijkbare manieren gereguleerd.
Inleidende begrippen
Voeding bestaat uit koolhydraten, vetten en eiwitten. Koolhydraten en vetten zijn de belangrijkste energiebronnen,
eiwitten dienen enkel als energiebron in noodgevallen.
Glucose (C₆H₁₂O₆) is een essentiële brandstof voor cellen.
Eiwitten (opgebouwd uit een aaneenschakeling van aminozuren)
= zijn geen primaire voedingsstoffen, ze hebben wel functionele rollen in ons lichaam zoals spieropbouw en vetopslag.
Wanneer eiwitten als energiebron worden gebruikt, wijst dit op een negatieve energiebalans, wat ongunstig is.
Aminozuren bevatten stikstof, wat niet direct in ons metabolisme past voor energieproductie. Daarom wordt stikstof
verwijderd onder de vorm van ureum.
Melkzuur (lactaat) wordt continu geproduceerd en neemt toe bij anaerobe inspanning.
ATP is essentieel voor overleving – zonder ATP stopt het leven.
Reductiekracht (producing power) speelt een rol in stofwisselingsprocessen:
Katabolisme = Afbraak
Anabolisme = Opbouw
Reductie = Waterstof toevoegen of zuurstof verwijderen
Oxidatie = zuurstof toevoegen of waterstof verwijderen
Er zijn zes grote reacties in de biochemie, en meerdere vinden tegelijkertijd plaats.
,ALGEMENE PRINCIPES VAN HET METABOLISME
(1) Brandstoffen worden afgebroken en grote moleculen worden stap voor stap opgebouwd in een reeks gekoppelde
reacties, bekend als metabole paden.
Bv eiwitten worden opgebouwd door aminozuren stap voor stap aan elkaar te schakelen
(2) Een energievaluta die gemeenschappelijk is voor alle levensvormen, adenosinetrifosfaat (ATP), verbindt
energieproducerende processen met energie verbruikende processen.
(3) De oxidatie van koolstofhoudende brandstoffen drijft de vorming van ATP aan.
(4) Hoewel er veel metabole paden bestaan, komen een beperkt aantal (ZES) reactietypen en specifieke
tussenproducten vaak voor in meerdere paden.
(5) Metabole paden worden strikt gereguleerd.
(6) De enzymen die betrokken zijn bij het metabolisme zijn georganiseerd in grote complexen. De vorming van
metabole enzymen in complexen verhoogt de efficiëntie door de beweging van substraten en producten tussen
de afzonderlijke enzymen van het complex te vergemakkelijken.
HET METABOLISME BESTAAT UIT GEKOPPELDE REACTIES
Levende organismen hebben een voortdurende aanvoer van vrije energie nodig voor drie belangrijke doelen:
1) Het uitvoeren van mechanisch werk, zoals spiercontractie en cellulaire bewegingen.
2) Het actief transporteren van moleculen en ionen (= tegen de concentratiegradiënt in met verbruik van ATP)
3) De synthese van macromoleculen en andere biomoleculen uit eenvoudige bouwstenen.
De vrije energie die voor deze processen wordt gebruikt, houdt een organisme in een toestand ver van evenwicht en
wordt uit de omgeving gehaald. Fotosynthetische organismen, of fototrofen, verkrijgen deze energie door zonlicht
vast te leggen, terwijl chemotrofen, waaronder dieren, energie halen uit de oxidatie van voedingsstoffen die door
fototrofen worden geproduceerd. we halen energie uit substraten
HET METABOLISME BESTAAT UIT ENERGIE-LEVERENDE EN ENERGIE VERGENDE REACTIES
Metabolisme = in essentie een reeks chemische reacties die begint met een specifieke molecule en leidt tot de
vorming van een of meerdere moleculen op een nauwkeurig bepaalde manier.
Stappenplan: energie leverende processen/ anaërobe glycolyse
Glucose molecule (C6 H12 O6)
In 10 stappen naar
2x Pyruvaat (C3 H4 O3)
Anaeroob: reductie (toevoegen H+) van pyruvaat naar lactaat (keton alcohol)
Lactaat is geen oorzaak van stijfheid en vermoeidheid
Aeroob: oxidatief gedecarboxyleerd
Koolstofatoom afknippen, energie die hierbij vrijkomt wordt geinvesteerd in een
energierijke binding en wordt in latere reacties van de molecule gebruikt.
Co enzyme A: teken dat de enzyme geactiveerd is, zelfde structuur als nucleotide ATP
,BELANGRIJKE PRENT
Blauwe cirkel = KREBCYCLUS
Moleculen kunnen vanuit de krebcyclus naar verschillende
andere cyclussen gaan en worden gebruikt om o.a.
aminozuren of vetzuren te maken.
BEPERKT AANTAL TYPE REACTIES: 6 REACTIES
(1) Oxidatie-reductie reacties: Oxidatie: elektronen afgeven – Reduceren: elektronen bijkomen
(2) Vorming van covalente binding a.d.h.v. ATP: aangezien de koolstof-koolstof binding energie vraagt
(3) Vorming van Isomeren: bv citroenzuur en isocitroenzuur
molecule met dezelfde samenstelling, maar de groepen bevinden zich op verschillende plaatsen in de molecule
(4) Groepen transfer: glucose glucose zes fosfaat : fosforgroep overdragen waardoor glucose wordt gedestabiliseerd
(5) Hydrolytische splitsing: splitsen door toevoegen van water
Bv aminozuren splitsen door toevoegen van water, verbinden door water onttrekken
(6) Toevoegen of verwijderen van functionele groepen:
- Verwijderen van functionele groepen voor de vorming van een dubbele binding:
water onttrekken van alcohol = alkeen
- Toevoegen van functionele groepen op een dubbele binding (additie reactie)
(7)
, Metabole paden zijn onderling afhankelijk en worden gecoördineerd via uiterst gevoelige communicatiemechanismen, waarbij
allosterische enzymen een belangrijke rol spelen.
EXAMEN: Wat zijn allosterische enzymen? + voorbeeld
Allosterische enzymen worden gereguleerd door de binding van een molecule op een andere plaats dan de actieve site.
Dit veroorzaakt een vormverandering, waardoor het enzym wordt geactiveerd of geremd.
Bijvoorbeeld: Bij het glycogeenmetabolisme activeert fosforylase kinase het enzym glycogeenfosforylase, wat glycogeen afbreekt.
Tegelijk remt het glycogeensynthase, dat glycogeen opbouwt. Dit zorgt voor een efficiënte regeling van energiegebruik in de cel.
Hoofdklassen van metabole paden:
1) Katabole paden: zetten energie uit brandstoffen om in biologisch bruikbare vormen.
2) Anabole paden: vereisen energie-input voor de synthese van biomoleculen zoals glucose, vetten en DNA.
Amfibole paden, zoals de citroenzuurcyclus (Krebs) en de pentosefosfaatroute, kunnen afhankelijk van de energiebehoefte van de
cel zowel katabole als anabole functies vervullen.
2x pyruvaat naar 1x glucose kost 6 ATP = NIET gunstig
1x glucose naar 2x pyruvaat produceert 2 ATP = WEL gunstig
Een belangrijk principe in het metabolisme is dat biosynthetische en afbrekende paden meestal gescheiden zijn Deze scheiding is
noodzakelijk omwille van energetische efficiëntie en zorgt voor een betere controle over het metabolisme.
bijvoorbeeld bij vetzuren:
- Biosynthese: cytoplasma
- Degradatie/ afbraak: mitochondrieën
Want tijdens inspanning wordt ATP geleverd en is het niet mogelijk om vetzuren aan te maken
BEPERKT AANTAL TYPE REACTIES: 6 REACTIES
THERMODYNAMISCHE ONGUNSTIGE REACTIES WORDEN AANGEDREVEN DOOR THERMODYNAMISCHE
GUNSTIGE REACTIES
Een metabool pad moet aan twee voorwaarden voldoen:
(1) de reacties moeten specifiek zijn
(2) de reacties moeten thermodynamisch gunstig zijn.
De totale vrije-energieverandering van een reeks reacties is de som van de veranderingen van de individuele stappen.
Een ongunstige reactie kan gedreven worden door een gekoppelde gunstige reactie. Zo worden metabole paden
gevormd door enzymgekatalyseerde reacties
met een negatieve totale vrije energie.
Vraagt energie (minder)
Er komt energie vrij (meer)
METABOLISME: BASISCONCEPTEN EN DESIGN
Inleiding
Een oneindig aantal boeken kan geschreven worden met slechts een beperkt aantal letters (26).
Op dezelfde manier wordt de complexe biochemie van een cel, het intermediaire metabolisme, opgebouwd uit een
beperkt aantal terugkerende motieven, reacties en moleculen.
Rol: omzetting van omgevingsenergie in cellulaire energie ‘ATP’
ATP (adenosine trifosfaat)!!!
Een nucleotide dat bestaat uit:
een heterocyclische stikstofbase
een fosfaatgroep
een pentose (suikergroep met 5 koolstofatomen, C5)
kan omgezet worden in CAMP (cyclisch adenosinemonofosfaat), belangrijke signaalmolecule in cellulaire processen.
DNA = een polynucleotiden (een keten van nucleotiden)
Functie: energieleverancier en overdracht van genetische informatie
Hoe haalt een cel energie en reductiekracht uit zijn omgeving?
Hoe synthetiseert een cel bouwstenen van zijn macromoleculen en vervolgens de macromoleculen zelf?
Deze processen worden uitgevoerd door een sterk geïntegreerd netwerk van chemische reacties
= intermediair metabolisme
Het totaal aantal reacties in het metabolisme is groot, maar het aantal soorten reacties klein + de mechanismen ervan
zijn vrij eenvoudig. Bovendien worden metabole paden op vergelijkbare manieren gereguleerd.
Inleidende begrippen
Voeding bestaat uit koolhydraten, vetten en eiwitten. Koolhydraten en vetten zijn de belangrijkste energiebronnen,
eiwitten dienen enkel als energiebron in noodgevallen.
Glucose (C₆H₁₂O₆) is een essentiële brandstof voor cellen.
Eiwitten (opgebouwd uit een aaneenschakeling van aminozuren)
= zijn geen primaire voedingsstoffen, ze hebben wel functionele rollen in ons lichaam zoals spieropbouw en vetopslag.
Wanneer eiwitten als energiebron worden gebruikt, wijst dit op een negatieve energiebalans, wat ongunstig is.
Aminozuren bevatten stikstof, wat niet direct in ons metabolisme past voor energieproductie. Daarom wordt stikstof
verwijderd onder de vorm van ureum.
Melkzuur (lactaat) wordt continu geproduceerd en neemt toe bij anaerobe inspanning.
ATP is essentieel voor overleving – zonder ATP stopt het leven.
Reductiekracht (producing power) speelt een rol in stofwisselingsprocessen:
Katabolisme = Afbraak
Anabolisme = Opbouw
Reductie = Waterstof toevoegen of zuurstof verwijderen
Oxidatie = zuurstof toevoegen of waterstof verwijderen
Er zijn zes grote reacties in de biochemie, en meerdere vinden tegelijkertijd plaats.
,ALGEMENE PRINCIPES VAN HET METABOLISME
(1) Brandstoffen worden afgebroken en grote moleculen worden stap voor stap opgebouwd in een reeks gekoppelde
reacties, bekend als metabole paden.
Bv eiwitten worden opgebouwd door aminozuren stap voor stap aan elkaar te schakelen
(2) Een energievaluta die gemeenschappelijk is voor alle levensvormen, adenosinetrifosfaat (ATP), verbindt
energieproducerende processen met energie verbruikende processen.
(3) De oxidatie van koolstofhoudende brandstoffen drijft de vorming van ATP aan.
(4) Hoewel er veel metabole paden bestaan, komen een beperkt aantal (ZES) reactietypen en specifieke
tussenproducten vaak voor in meerdere paden.
(5) Metabole paden worden strikt gereguleerd.
(6) De enzymen die betrokken zijn bij het metabolisme zijn georganiseerd in grote complexen. De vorming van
metabole enzymen in complexen verhoogt de efficiëntie door de beweging van substraten en producten tussen
de afzonderlijke enzymen van het complex te vergemakkelijken.
HET METABOLISME BESTAAT UIT GEKOPPELDE REACTIES
Levende organismen hebben een voortdurende aanvoer van vrije energie nodig voor drie belangrijke doelen:
1) Het uitvoeren van mechanisch werk, zoals spiercontractie en cellulaire bewegingen.
2) Het actief transporteren van moleculen en ionen (= tegen de concentratiegradiënt in met verbruik van ATP)
3) De synthese van macromoleculen en andere biomoleculen uit eenvoudige bouwstenen.
De vrije energie die voor deze processen wordt gebruikt, houdt een organisme in een toestand ver van evenwicht en
wordt uit de omgeving gehaald. Fotosynthetische organismen, of fototrofen, verkrijgen deze energie door zonlicht
vast te leggen, terwijl chemotrofen, waaronder dieren, energie halen uit de oxidatie van voedingsstoffen die door
fototrofen worden geproduceerd. we halen energie uit substraten
HET METABOLISME BESTAAT UIT ENERGIE-LEVERENDE EN ENERGIE VERGENDE REACTIES
Metabolisme = in essentie een reeks chemische reacties die begint met een specifieke molecule en leidt tot de
vorming van een of meerdere moleculen op een nauwkeurig bepaalde manier.
Stappenplan: energie leverende processen/ anaërobe glycolyse
Glucose molecule (C6 H12 O6)
In 10 stappen naar
2x Pyruvaat (C3 H4 O3)
Anaeroob: reductie (toevoegen H+) van pyruvaat naar lactaat (keton alcohol)
Lactaat is geen oorzaak van stijfheid en vermoeidheid
Aeroob: oxidatief gedecarboxyleerd
Koolstofatoom afknippen, energie die hierbij vrijkomt wordt geinvesteerd in een
energierijke binding en wordt in latere reacties van de molecule gebruikt.
Co enzyme A: teken dat de enzyme geactiveerd is, zelfde structuur als nucleotide ATP
,BELANGRIJKE PRENT
Blauwe cirkel = KREBCYCLUS
Moleculen kunnen vanuit de krebcyclus naar verschillende
andere cyclussen gaan en worden gebruikt om o.a.
aminozuren of vetzuren te maken.
BEPERKT AANTAL TYPE REACTIES: 6 REACTIES
(1) Oxidatie-reductie reacties: Oxidatie: elektronen afgeven – Reduceren: elektronen bijkomen
(2) Vorming van covalente binding a.d.h.v. ATP: aangezien de koolstof-koolstof binding energie vraagt
(3) Vorming van Isomeren: bv citroenzuur en isocitroenzuur
molecule met dezelfde samenstelling, maar de groepen bevinden zich op verschillende plaatsen in de molecule
(4) Groepen transfer: glucose glucose zes fosfaat : fosforgroep overdragen waardoor glucose wordt gedestabiliseerd
(5) Hydrolytische splitsing: splitsen door toevoegen van water
Bv aminozuren splitsen door toevoegen van water, verbinden door water onttrekken
(6) Toevoegen of verwijderen van functionele groepen:
- Verwijderen van functionele groepen voor de vorming van een dubbele binding:
water onttrekken van alcohol = alkeen
- Toevoegen van functionele groepen op een dubbele binding (additie reactie)
(7)
, Metabole paden zijn onderling afhankelijk en worden gecoördineerd via uiterst gevoelige communicatiemechanismen, waarbij
allosterische enzymen een belangrijke rol spelen.
EXAMEN: Wat zijn allosterische enzymen? + voorbeeld
Allosterische enzymen worden gereguleerd door de binding van een molecule op een andere plaats dan de actieve site.
Dit veroorzaakt een vormverandering, waardoor het enzym wordt geactiveerd of geremd.
Bijvoorbeeld: Bij het glycogeenmetabolisme activeert fosforylase kinase het enzym glycogeenfosforylase, wat glycogeen afbreekt.
Tegelijk remt het glycogeensynthase, dat glycogeen opbouwt. Dit zorgt voor een efficiënte regeling van energiegebruik in de cel.
Hoofdklassen van metabole paden:
1) Katabole paden: zetten energie uit brandstoffen om in biologisch bruikbare vormen.
2) Anabole paden: vereisen energie-input voor de synthese van biomoleculen zoals glucose, vetten en DNA.
Amfibole paden, zoals de citroenzuurcyclus (Krebs) en de pentosefosfaatroute, kunnen afhankelijk van de energiebehoefte van de
cel zowel katabole als anabole functies vervullen.
2x pyruvaat naar 1x glucose kost 6 ATP = NIET gunstig
1x glucose naar 2x pyruvaat produceert 2 ATP = WEL gunstig
Een belangrijk principe in het metabolisme is dat biosynthetische en afbrekende paden meestal gescheiden zijn Deze scheiding is
noodzakelijk omwille van energetische efficiëntie en zorgt voor een betere controle over het metabolisme.
bijvoorbeeld bij vetzuren:
- Biosynthese: cytoplasma
- Degradatie/ afbraak: mitochondrieën
Want tijdens inspanning wordt ATP geleverd en is het niet mogelijk om vetzuren aan te maken
BEPERKT AANTAL TYPE REACTIES: 6 REACTIES
THERMODYNAMISCHE ONGUNSTIGE REACTIES WORDEN AANGEDREVEN DOOR THERMODYNAMISCHE
GUNSTIGE REACTIES
Een metabool pad moet aan twee voorwaarden voldoen:
(1) de reacties moeten specifiek zijn
(2) de reacties moeten thermodynamisch gunstig zijn.
De totale vrije-energieverandering van een reeks reacties is de som van de veranderingen van de individuele stappen.
Een ongunstige reactie kan gedreven worden door een gekoppelde gunstige reactie. Zo worden metabole paden
gevormd door enzymgekatalyseerde reacties
met een negatieve totale vrije energie.
Vraagt energie (minder)
Er komt energie vrij (meer)
