MEDISCHE EN KLINISCHE BIOCHEMIE
Deel 1: Introductie tot het intermediair metabolisme
1. Metabole brandsto en & voedingsbestanddelen
1. Brandsto en uit voeding
- Belangrijkste voedingssto en: suikers (koolhydraten), proteïnen & lipiden
- Opname & verbranding (oxid. dr transfer van elektronen naar O₂) tot CO₂ & H₂O
—> om energie vrij te stellen
- Resultaat:
- ATP = voornaamste doel v/h proces
- CO₂ nr longen & uitademen (afvalproduct)
- H₂O excretie via urine, zweet, etc.
- Warmte (verlies vn energie): lichaamstemp. op peil houden
- ATP = universele energieleverancier in ons lichaam
- Dankzij 2 hoog-energetische fosfaatbinding
- Hoog-energetische fosfaatbinding (HEF):
= covalente binding tssn fosfaatgroepen vn ATP enkel tussen γ - β & β - α fosfaat
- Neg. ladingen zetten binding onder druk dr afstoting (↑ E nodig vr bindingen)
- Gemakkelijk te hydrolyseren: vlugge afsplitsing ATP + H₂O & terminale fosfaatgroepen
—> lichaam slaagt er niet in grote hoeveelheden ATP op te slaan
- Vrijgekomen fosfaat = stabiel: versch resonatie-vormen mogelijk
- Beperkt E-verlies
- ATP levert E die de meeste E-kostende processen id cellen aandrijft:
- Anabole (= ombouwend) biochemische reacties
- Contractie v/d spieren (myosine ATPase)
- Actief transport over membranen
→Tijdens dit E-verbruik w ATP terug omgezet tot ADP & Pi (hydrolyse)
- Gesloten ATP-ADP cyclus = regenereren
→Bio-energetica = aaneenschakeling E-transformaties (ox-red) id ATP- ADP cyclus
1) ATP (E) gebruiken: dr hydrolyse —> ADP + Pi
2) Respiratie: oxidatie brandsto en m.b.h.v. O₂ om ATP opnieuw te vormen
→Bijna alle E-kostende processen i/h lichaam gebruiken HEF-binding vn ATP (of UTP,
CTP, GTP) om aan E te geraken
→Om ATP te regenereren moet E vrijgesteld w. via katabole reacties
→Synthese HEF-bindingen in ATP via oxidatie verbruikt 95% vn alle ingeademde O₂
- Energieveranderingen in biologische systemen: wetten van thermodynamica
- Behoud vn energie
- Neiging nr wanorde (entropie ↑)
- ΔG: verandering in Gibbs vrije energie = #E die kan vrijgemaakt w bij chem. reactie
(hydrolyse vn ATP), & beschikbaar is om arbeid te verrichten —> afh. vn:
- ΔH = enthalpie = verschil in chemische bindings-E tss. substraten & producten
- ΔS = entropie = #E niet beschikbaar vr werk, die verloren gaat —> vb. in ↑ wanorde
- Initiële conc. v/d substr. & producten
- ΔG₀ = ΔG: vr reactie met substr. & producten in 1M conc.
(In biochemie: ΔG₀' (1M ; pH 7,0 ; 25 °C))
1
ff ff ffff
, - Diverse kwantitatieve interpretaties vn E-transformaties:
- Vrijgestelde #E uit versch soorten brandsto en vergelijken
- E ciëntie versch processen m.b.t. transformatie vn chemische bindings-E vergelijken
- Voor-/achterwaartse thermodynamische reactie:
- ΔG₀’ < 0 = voorwaartse richting + vrijstelling E (bij standaardcond.):
→Lagere chemische bindings-E
→Stabielere reactieproducten
→Δ wanorde is beperkt
- Conc 1M: [substr.] ↓ & [prod.] ↑ tot (dynamisch) evenwicht: ΔG₀’ —> ΔG
- Exacte ratio substr./prod. bij evenwicht bepaald dr waarde vn ΔG₀’
= afhankelijk vd verschillen in chemische bindings- E tussen substr. & prod.
- Stel: [substr.] > 1M of [prod.] < 1M of beiden: ΔG₀' —> ΔG
—> zal langer duren voor evenwicht bereikt w —> meer E komt vrij
- Fysiologische cond: (niet 1 M): ΔG₀' kan richting vn reactie niet voorspellen, ΔG wel
- ΔG₀’ > 0 = achterwaartse richting
→Hoe verder reactie verwijderd v evenwicht = ↑ E dat vrijkomt / moet toegevoegd w
om evenwicht te bereiken
→ Rendement ATP-hydrolyse: kan verschillen i.f.v. conc. reactanten
- Verschil blijft beperkt: ATP conc. in cel is nooit zó dramatisch verschillend
- Meestal -7 tot -8 kcal (afhankelijk vn conc ATP vs producten)
- E vn klieving HEF-binding ATP w. gekoppeld aan E-consumerende processen
- Reacties id cel met + ΔG₀' (E- vereisende processen) gekoppeld aan hydrolyse vn
HEF-binding —> toch id richting die cel nodig heeft op dat moment
- Deze E benutten vergt mechanisme om E die vrijkomt e ciënt te kanaliseren nr het
E- vergende proces —> via intermediaire stappen
1.1.Biosynthese vn grotere moleculen (vorming glycogeen):
- Lichaam synthetiseert continu grotere moleculen uit kleinere bouwstenen (DNA, prot..)
= anabole reacties
- Grotere moleculen vormen = thermodynamisch niet gunstig:
- Hogere E-inhoud in bindingen producten
- Grotere ordening, entropie ↓ (orde in wanorde creëren)
- Processen ontvangen E, rechtstreeks / onrechtstreeks, vanuit ATP hydrolyse
- Via 1 / meerdere enzymatische stap(pen): vorming actieve intermediairen
- In totaal: vrijgemaakte # chemische bindings-E uit ATP voldoende om hele pathway
te voorzien van totaal negatieve ΔG₀'
- Vorming glycogeen (glycosidische bindingen) vanuit glucose, wat E kost:
- E geleverd dr hydrolyse vn 3 HEF-bindingen (per 1 molecule)
1) Fosforylering glucose m.b.v. ATP —> glucose-6-fosfaat
- Zonder ATP: ∆G₀’ = +3,3 kcal, bij evenwicht: [substr.] >> [prod.]
- Enzym hexokinase: zorgt vr koppeling reactie met hydrolyse van ATP
—> totale ∆G₀’ = -4 kcal/mol —> snellere reactie, beter evenwicht nr G-6-P
- Fosforylering met anorganisch fosfaat: ++ ∆G₀: eerder evenwicht nr glucose
2) Isomerisatie glucose-6P —> glucose-1P: licht + ΔG₀'
- Additief karakter: binnen metabole pathway kan een stap met (kleine) + ΔG₀'
voorwaarts gedreven w dr voorgaande / erop volgende reactie met - ΔG₀’ —>
—> zolang som negatief is!
2
ffi ff ffi
, - Reversibiliteit reacties:
- Glucose-6P glucose-1P = ook reversibel
- Reactie met + ΔG₀' —> in voorwaartse richting geduwd: [substraat] >> [prod.]
- ΔG₀' te groot: cel kan nooit voldoende conc. opbouwen aan 1 vd reactanten om
reactie om te keren (thermodynamisch irreversibel)
- Kinetisch irreversibel: als enzym. snelheid omgekeerde reactie te klein is
- Snelheid reacties:
- ΔG₀' = GEEN indicator vr snelheid reactie / snelheid waarmee evenwicht bereikt w
- Activatie-E vd reactie (= E nodig om transitietoestand te bereiken) speelt hierin een rol
- Snelheid hangt vooral af vh gebruikte enzym vr katalyse & # vn dit enzym beschikbaar
- Geen verband tssn thermodynamisch & kinetische reversibiliteit
- Snelheid chemische reactie bepaald dr bio-katalysator: enzym
—> zorgt er vooral vr A —> B (irreversibel: lang wachten vr omgekeerde omzetting)
- Groep moleculen / groep enzymen: hoeveelheid moleculen ook belangrijk
- Intrinsieke eigenschappen enzym qua werkingssnelheid: vmax-waarde
- #beschikbaar enzym: versch kopies enzymen die simultaan, in parallel omzettingen
kunnen doen
- Versnelling / vertraging pathway: allosterie / hoeveelheid enzymen aanpassen
- ↑ kopies enzym = ↑ moleculen die kunnen omgezet w
- Glycogeenvorming: isomerisatie-reactie glucose-6P <—> glucose-1P = reversibel
(thermodynamisch & -kinetisch)
- zowel glycogeen- opbouw (glycogenese) als glycogeenafbraak (glycogen-olyse)
- Thermodynamisch mogelijk: want ΔG0' = (-)1,6 kcal/mol
- Fosfoglucomutase = perfect actief in beide richtingen
- Derde en volgende stap(pen):
- Actieve intermediairen: UDP-glucose gebruikt om eigenlijke glycogeen te vormen
- UTP, CTP, GTP w. vaak gebruikt i.p.v. ATP vr activatie suikers
- Fosfaatbinding in deze nucleotiden = gelijkaardig aan die vn ATP
—> kan (enzymatisch) tssn nucleotiden getransfereerd w
- Synthese UDP-glucose: splitsing HEF-binding in UTP & 1 in pyrofosfaat
- Glycogeen-molecule verlengen met glucose dat aan UDP hangt —> vrijstelling UDP
- E die in die binding zat w gebruikt vr binding met glycogeen:
thermodynamisch ongunstig (orde id wanorde) —> juiste richting: E vrijstelling
- ATP w heel veel verbruikt
- 3 HEP-bindingen vr binding 1 glucose
3
↔︎
, 1.2.Mechanische arbeid, vb. contractie spieren
- Hoog-E binding ATP w. omgezet tot beweging dr conformatie v/e proteïne te wijzigen
- Contractie spiervezels: ATP hydrolyse terwijl het is gebonden aan myosine-ATPase
- Spiervezels = dikke lamenten uit bundels myosine + dunne lamenten van actine
- Terminaal domein myosine: ATPase activiteit
- Hydrolyse ATP —> actine & myosine over elkaar —> veel HEP-bindingen verbruiken
- Hart: beste id transformatie vn ATP chemische bindings-E —> mechanische arbeid
- Elke individuele hartslag verbruikt 2% v/h ATP id spier
- Zonder continue ATP regeneratie —> na 1 min. zou alle al ATP opgebruikt zijn
- In hart: ↑ oxid. fosforylatie
- Veel O₂ nodig !!
1.3.Actief transport
- Verbindingen tegen conc. gradiënt in transporteren over membraan (bij neuronen)
- Vb: Na⁺,K⁺-ATPase pompt Na⁺ uit cel
- Chemische E ATP binding: om Na⁺ nr buiten te pompen dr conformationele Δ vh
proteïne als het zichzelf fosforyleert bij klieving vn ATP
- Extracellulair conc. Na⁺ >> intracellulaire
- Na⁺ wil continu id cel instromen om conc.-gradiënt op te he en
- In ux Na⁺ = drijvende kracht vr opname vn diverse comp. via co-transporter
proteïnen (absorbtie suikers na vertering)
- Na⁺ continu terug nr buiten om mechanisme in stand te houden (tegelijk K⁺ nr binnen)
4
fl
fi fffi
Deel 1: Introductie tot het intermediair metabolisme
1. Metabole brandsto en & voedingsbestanddelen
1. Brandsto en uit voeding
- Belangrijkste voedingssto en: suikers (koolhydraten), proteïnen & lipiden
- Opname & verbranding (oxid. dr transfer van elektronen naar O₂) tot CO₂ & H₂O
—> om energie vrij te stellen
- Resultaat:
- ATP = voornaamste doel v/h proces
- CO₂ nr longen & uitademen (afvalproduct)
- H₂O excretie via urine, zweet, etc.
- Warmte (verlies vn energie): lichaamstemp. op peil houden
- ATP = universele energieleverancier in ons lichaam
- Dankzij 2 hoog-energetische fosfaatbinding
- Hoog-energetische fosfaatbinding (HEF):
= covalente binding tssn fosfaatgroepen vn ATP enkel tussen γ - β & β - α fosfaat
- Neg. ladingen zetten binding onder druk dr afstoting (↑ E nodig vr bindingen)
- Gemakkelijk te hydrolyseren: vlugge afsplitsing ATP + H₂O & terminale fosfaatgroepen
—> lichaam slaagt er niet in grote hoeveelheden ATP op te slaan
- Vrijgekomen fosfaat = stabiel: versch resonatie-vormen mogelijk
- Beperkt E-verlies
- ATP levert E die de meeste E-kostende processen id cellen aandrijft:
- Anabole (= ombouwend) biochemische reacties
- Contractie v/d spieren (myosine ATPase)
- Actief transport over membranen
→Tijdens dit E-verbruik w ATP terug omgezet tot ADP & Pi (hydrolyse)
- Gesloten ATP-ADP cyclus = regenereren
→Bio-energetica = aaneenschakeling E-transformaties (ox-red) id ATP- ADP cyclus
1) ATP (E) gebruiken: dr hydrolyse —> ADP + Pi
2) Respiratie: oxidatie brandsto en m.b.h.v. O₂ om ATP opnieuw te vormen
→Bijna alle E-kostende processen i/h lichaam gebruiken HEF-binding vn ATP (of UTP,
CTP, GTP) om aan E te geraken
→Om ATP te regenereren moet E vrijgesteld w. via katabole reacties
→Synthese HEF-bindingen in ATP via oxidatie verbruikt 95% vn alle ingeademde O₂
- Energieveranderingen in biologische systemen: wetten van thermodynamica
- Behoud vn energie
- Neiging nr wanorde (entropie ↑)
- ΔG: verandering in Gibbs vrije energie = #E die kan vrijgemaakt w bij chem. reactie
(hydrolyse vn ATP), & beschikbaar is om arbeid te verrichten —> afh. vn:
- ΔH = enthalpie = verschil in chemische bindings-E tss. substraten & producten
- ΔS = entropie = #E niet beschikbaar vr werk, die verloren gaat —> vb. in ↑ wanorde
- Initiële conc. v/d substr. & producten
- ΔG₀ = ΔG: vr reactie met substr. & producten in 1M conc.
(In biochemie: ΔG₀' (1M ; pH 7,0 ; 25 °C))
1
ff ff ffff
, - Diverse kwantitatieve interpretaties vn E-transformaties:
- Vrijgestelde #E uit versch soorten brandsto en vergelijken
- E ciëntie versch processen m.b.t. transformatie vn chemische bindings-E vergelijken
- Voor-/achterwaartse thermodynamische reactie:
- ΔG₀’ < 0 = voorwaartse richting + vrijstelling E (bij standaardcond.):
→Lagere chemische bindings-E
→Stabielere reactieproducten
→Δ wanorde is beperkt
- Conc 1M: [substr.] ↓ & [prod.] ↑ tot (dynamisch) evenwicht: ΔG₀’ —> ΔG
- Exacte ratio substr./prod. bij evenwicht bepaald dr waarde vn ΔG₀’
= afhankelijk vd verschillen in chemische bindings- E tussen substr. & prod.
- Stel: [substr.] > 1M of [prod.] < 1M of beiden: ΔG₀' —> ΔG
—> zal langer duren voor evenwicht bereikt w —> meer E komt vrij
- Fysiologische cond: (niet 1 M): ΔG₀' kan richting vn reactie niet voorspellen, ΔG wel
- ΔG₀’ > 0 = achterwaartse richting
→Hoe verder reactie verwijderd v evenwicht = ↑ E dat vrijkomt / moet toegevoegd w
om evenwicht te bereiken
→ Rendement ATP-hydrolyse: kan verschillen i.f.v. conc. reactanten
- Verschil blijft beperkt: ATP conc. in cel is nooit zó dramatisch verschillend
- Meestal -7 tot -8 kcal (afhankelijk vn conc ATP vs producten)
- E vn klieving HEF-binding ATP w. gekoppeld aan E-consumerende processen
- Reacties id cel met + ΔG₀' (E- vereisende processen) gekoppeld aan hydrolyse vn
HEF-binding —> toch id richting die cel nodig heeft op dat moment
- Deze E benutten vergt mechanisme om E die vrijkomt e ciënt te kanaliseren nr het
E- vergende proces —> via intermediaire stappen
1.1.Biosynthese vn grotere moleculen (vorming glycogeen):
- Lichaam synthetiseert continu grotere moleculen uit kleinere bouwstenen (DNA, prot..)
= anabole reacties
- Grotere moleculen vormen = thermodynamisch niet gunstig:
- Hogere E-inhoud in bindingen producten
- Grotere ordening, entropie ↓ (orde in wanorde creëren)
- Processen ontvangen E, rechtstreeks / onrechtstreeks, vanuit ATP hydrolyse
- Via 1 / meerdere enzymatische stap(pen): vorming actieve intermediairen
- In totaal: vrijgemaakte # chemische bindings-E uit ATP voldoende om hele pathway
te voorzien van totaal negatieve ΔG₀'
- Vorming glycogeen (glycosidische bindingen) vanuit glucose, wat E kost:
- E geleverd dr hydrolyse vn 3 HEF-bindingen (per 1 molecule)
1) Fosforylering glucose m.b.v. ATP —> glucose-6-fosfaat
- Zonder ATP: ∆G₀’ = +3,3 kcal, bij evenwicht: [substr.] >> [prod.]
- Enzym hexokinase: zorgt vr koppeling reactie met hydrolyse van ATP
—> totale ∆G₀’ = -4 kcal/mol —> snellere reactie, beter evenwicht nr G-6-P
- Fosforylering met anorganisch fosfaat: ++ ∆G₀: eerder evenwicht nr glucose
2) Isomerisatie glucose-6P —> glucose-1P: licht + ΔG₀'
- Additief karakter: binnen metabole pathway kan een stap met (kleine) + ΔG₀'
voorwaarts gedreven w dr voorgaande / erop volgende reactie met - ΔG₀’ —>
—> zolang som negatief is!
2
ffi ff ffi
, - Reversibiliteit reacties:
- Glucose-6P glucose-1P = ook reversibel
- Reactie met + ΔG₀' —> in voorwaartse richting geduwd: [substraat] >> [prod.]
- ΔG₀' te groot: cel kan nooit voldoende conc. opbouwen aan 1 vd reactanten om
reactie om te keren (thermodynamisch irreversibel)
- Kinetisch irreversibel: als enzym. snelheid omgekeerde reactie te klein is
- Snelheid reacties:
- ΔG₀' = GEEN indicator vr snelheid reactie / snelheid waarmee evenwicht bereikt w
- Activatie-E vd reactie (= E nodig om transitietoestand te bereiken) speelt hierin een rol
- Snelheid hangt vooral af vh gebruikte enzym vr katalyse & # vn dit enzym beschikbaar
- Geen verband tssn thermodynamisch & kinetische reversibiliteit
- Snelheid chemische reactie bepaald dr bio-katalysator: enzym
—> zorgt er vooral vr A —> B (irreversibel: lang wachten vr omgekeerde omzetting)
- Groep moleculen / groep enzymen: hoeveelheid moleculen ook belangrijk
- Intrinsieke eigenschappen enzym qua werkingssnelheid: vmax-waarde
- #beschikbaar enzym: versch kopies enzymen die simultaan, in parallel omzettingen
kunnen doen
- Versnelling / vertraging pathway: allosterie / hoeveelheid enzymen aanpassen
- ↑ kopies enzym = ↑ moleculen die kunnen omgezet w
- Glycogeenvorming: isomerisatie-reactie glucose-6P <—> glucose-1P = reversibel
(thermodynamisch & -kinetisch)
- zowel glycogeen- opbouw (glycogenese) als glycogeenafbraak (glycogen-olyse)
- Thermodynamisch mogelijk: want ΔG0' = (-)1,6 kcal/mol
- Fosfoglucomutase = perfect actief in beide richtingen
- Derde en volgende stap(pen):
- Actieve intermediairen: UDP-glucose gebruikt om eigenlijke glycogeen te vormen
- UTP, CTP, GTP w. vaak gebruikt i.p.v. ATP vr activatie suikers
- Fosfaatbinding in deze nucleotiden = gelijkaardig aan die vn ATP
—> kan (enzymatisch) tssn nucleotiden getransfereerd w
- Synthese UDP-glucose: splitsing HEF-binding in UTP & 1 in pyrofosfaat
- Glycogeen-molecule verlengen met glucose dat aan UDP hangt —> vrijstelling UDP
- E die in die binding zat w gebruikt vr binding met glycogeen:
thermodynamisch ongunstig (orde id wanorde) —> juiste richting: E vrijstelling
- ATP w heel veel verbruikt
- 3 HEP-bindingen vr binding 1 glucose
3
↔︎
, 1.2.Mechanische arbeid, vb. contractie spieren
- Hoog-E binding ATP w. omgezet tot beweging dr conformatie v/e proteïne te wijzigen
- Contractie spiervezels: ATP hydrolyse terwijl het is gebonden aan myosine-ATPase
- Spiervezels = dikke lamenten uit bundels myosine + dunne lamenten van actine
- Terminaal domein myosine: ATPase activiteit
- Hydrolyse ATP —> actine & myosine over elkaar —> veel HEP-bindingen verbruiken
- Hart: beste id transformatie vn ATP chemische bindings-E —> mechanische arbeid
- Elke individuele hartslag verbruikt 2% v/h ATP id spier
- Zonder continue ATP regeneratie —> na 1 min. zou alle al ATP opgebruikt zijn
- In hart: ↑ oxid. fosforylatie
- Veel O₂ nodig !!
1.3.Actief transport
- Verbindingen tegen conc. gradiënt in transporteren over membraan (bij neuronen)
- Vb: Na⁺,K⁺-ATPase pompt Na⁺ uit cel
- Chemische E ATP binding: om Na⁺ nr buiten te pompen dr conformationele Δ vh
proteïne als het zichzelf fosforyleert bij klieving vn ATP
- Extracellulair conc. Na⁺ >> intracellulaire
- Na⁺ wil continu id cel instromen om conc.-gradiënt op te he en
- In ux Na⁺ = drijvende kracht vr opname vn diverse comp. via co-transporter
proteïnen (absorbtie suikers na vertering)
- Na⁺ continu terug nr buiten om mechanisme in stand te houden (tegelijk K⁺ nr binnen)
4
fl
fi fffi
