H1 BIOENERGETICA
1.1 DE ENERGETISCHE LOGICA VAN HET LEVEN
Energieproductie en consumptie in het metabolisme
Energie is een centraal thema in de biochemie: cellen en organismen zijn afhankelijk van
een constante toevoer van energie om de onvermijdelijke natuurlijke tendens van verval
naar de laagst mogelijke energietoestand tegen te gaan.
De cel heeft energie nodig omdat:
- Ze informatie moet kunnen opslaan en tot expressie brengen;
- Ze een hele brede waaier van biosynthetische reacties moet uitvoeren;
- Ze een gehele cel (of organellen daarbinnen) moet kunnen bewegen;
- Ze een onevenwicht met de buitenwereld moet onderhouden.
=> Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
- De concentraties van moleculen en ionen binnenin de cel verschillen van die
daarbuiten.
- Sto en naar binnen pompen (en andere naar buiten) kost energie.
Dynamische steady state
- Concentraties in cel lijken constant: continu moleculen gemaakt en afgebroken
- Dynamisch evenwicht (steady state)
- Kost energie
Levende organismen zijn open systemen die energie en materie uit hun omgeving
transformeren
- Een systeem: alle aanwezige reagentia en producten, het solvens en de
onmiddellijk nabije atmosfeer (alles wat zich binnen een gedefinieerde regio in de
ruimte bevindt)
o Geïsoleerd systeem: systeem wisselt noch energie, noch materie uit met
zijn omgeving
o Gesloten systeem: systeem dat wel energie maar geen materie uitwisselt
met zijn omgeving
o Open systeem: systeem dat zowel energie als materie uitwisselt
- Universum: systeem + omgeving
- Levend organisme = open systeem
o Strategieën om energie uit hun omgeving te halen:
, Ze nemen chemische brandsto en op uit hun omgeving en
extraheren energie door ze te oxideren;
Ze absorberen energie uit zonlicht (planten en bepaalde bacteriën).
Cellen: zeer e ectieve omzetters van energie
- Tijdens energieomzettingen stijgt de
wanorde van het systeem en zijn
omgeving (uitgedrukt als entropie),
de potentiële energie van de complexe
voedingsmoleculen daalt
- Levende organismen:
a) Extraheren energie uit hun omgeving;
b) Converteren een deel daarvan in
bruikbare vormen van energie
om arbeid te verrichten;
c) Geven een deel energie weer af aan
de omgeving als warmte niet 100%
e iciënt
d) Stellen eindproductmoleculen vrij die
minder georganiseerd zijn dan de
startbrandstof, wat bijdraagt tot een
stijging in de entropie;
e) Zorgen voor gestegen orde (dus
minder wanorde) in het systeem in de
vorm van complexe
macromoleculen.
Energiebronnen voor organismen
- Fotosynthese: lichtenergie gebruiken om
energierijke producten te maken
(zetmeel en glucose) + vrijstelling O2
- Respiratie (cellulaire ademhaling):
oxideren van de energierijke
fotosyntheseproducten en geven hierbij
de elektronen door aan O2 om zo water en CO2 en andere producten te vormen
Respirerende en fotosynthetische organismen zijn innig met elkaar verbonden en zelfs
van elkaar afhankelijk.
,De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Hydrogeneringsreacties reducties: Wanneer een molecule in een cel een elektron
oppikt, dan pikt het vaak op hetzelfde moment een proton (H+) op (protonen zijn vrij
beschikbaar in water). Het netto-e ect is dan dat er een waterstofatoom aan de
molecule wordt toegevoegd: A + e– + H+ → AH.
Omgekeerd zijn de dehydrogeneringsreacties oxidaties
- Reductie treedt op als het aantal C-H-bindingen stijgt
- Oxidatie treedt op als het aantal C-H-bindingen daalt
o Cel oxideert organische sto en niet in één stap stapsgewijze
oxidatie van moleculen maakt het mogelijk om nuttige hoeveelheden
energie te extraheren (geen directe toevoeging van O2)
Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar
- Mechanische energiekoppeling (doos op helling aan katrol)
- Chemische energiekoppeling: energievrijstellende (exergone) reactie drijft een
energievergende (endergone) reactie
Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP, NADH)
- Tijdelijke opslag energie later aanspreken wanneer nodig
o Meestal: chemische bindingsenergie kleine geactiveerde
carriermoleculen: di underen snel dwars door de cel naar de plaats waar
zij nodig zijn.
- Geactiveerde carriers stockeren energie: gemakkelijk transfereerbare groep, of
als hoge-energie-elektronen
Activated carrier Groep carried in high-energy linkage
ATP Fosfaat
NADH, NADPH, FADH2 Electrons and hydrogens
Acetyl CoA Acetyl group
Carboxylated biotin Carboxyl group
S-Adenosylmethionine Methyl group
Uridine diphosphate glucose Glucose
- De vorming van een geactiveerde carrier wordt gekoppeld aan een energetisch
gunstige reactie
- Energie die vrijkomt bij de afbraak van energierijke voedingsmoleculen, wordt
overgedragen naar carriermoleculen gebruikt om energetisch ongunstige
reacties aan te drijven.
, Analogie met vallende rotsblokken: die energie die normaal verloren gaat als warmte
gebruiken
Voorbeeld:
A) directe verbranding van suiker tot CO2 en H2O
B) B is dan dat de reactie wordt gekoppeld aan een reactie waarin geactiveerde
carriermoleculen worden gevormd
C) C: de potentiële energie die opgeslagen zit in de geactiveerde carrier
kan later worden gebruikt om chemische arbeid te verrichten.
Enzymen bevorderen ketens van reacties
Een exergone reactie (niet per se snel)
- Activeringsbarrière: moet worden genomen als de reactie wil doorgaan
- Transitietoestand: het hoogste punt in het reactiecoördinaatdiagram
Enzymen = biokatalysten die de snelheid van een reactie verhogen zonder zelf verbruikt
te worden
- Verlagen de energiebarrière tussen reagens en product
o Analogie met kantelen van vierkant versus rollen van wiel
- Activeringsenergie kan worden bereikt door verwarming kinetische energie van
de moleculen stijgt onmogelijk aangezien levende organismen een constante
temperatuur nastreven (risico denaturatie)
- Versnellen reacties door bindingse ecten: 2 reagentia binden stereospecifieke
manier aan het enzymoppervlak waarschijnlijkheid van reageren verhoogd
(nabijheids- en oriëntatie-e ecten)
Reagentia vervormt Ea verlaagt reactiesnelheid versnelt
- Eiwitten (meestal)
- Elk enzym katalyseert een specifieke reactie + elke reactie in de cel gekatalyseerd
door een ander enzym (enkele uitzonderingen)
- Veelvoud aan enzymen + specificiteit van enzymen (zij kunnen een onderscheid
maken tussen zeer verwante reagentia) + regelbaarheid van enzymen
Specifiek bepaalde activeringsbarrières verlagen.
- Werking van enzymen kan ervoor zorgen dat er orde wordt geschapen in de vele
mogelijke richtingen waarin moleculen kunnen reager
- Actieve site: waar het substraat zal binden (op een stereospecifieke manier) en
waar de reactie zal worden bevorderd
Katabole pathways: degraderen voedingssto en om er energie uit te extraheren in een
vorm die bruikbaar is voor de cel
1.1 DE ENERGETISCHE LOGICA VAN HET LEVEN
Energieproductie en consumptie in het metabolisme
Energie is een centraal thema in de biochemie: cellen en organismen zijn afhankelijk van
een constante toevoer van energie om de onvermijdelijke natuurlijke tendens van verval
naar de laagst mogelijke energietoestand tegen te gaan.
De cel heeft energie nodig omdat:
- Ze informatie moet kunnen opslaan en tot expressie brengen;
- Ze een hele brede waaier van biosynthetische reacties moet uitvoeren;
- Ze een gehele cel (of organellen daarbinnen) moet kunnen bewegen;
- Ze een onevenwicht met de buitenwereld moet onderhouden.
=> Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
- De concentraties van moleculen en ionen binnenin de cel verschillen van die
daarbuiten.
- Sto en naar binnen pompen (en andere naar buiten) kost energie.
Dynamische steady state
- Concentraties in cel lijken constant: continu moleculen gemaakt en afgebroken
- Dynamisch evenwicht (steady state)
- Kost energie
Levende organismen zijn open systemen die energie en materie uit hun omgeving
transformeren
- Een systeem: alle aanwezige reagentia en producten, het solvens en de
onmiddellijk nabije atmosfeer (alles wat zich binnen een gedefinieerde regio in de
ruimte bevindt)
o Geïsoleerd systeem: systeem wisselt noch energie, noch materie uit met
zijn omgeving
o Gesloten systeem: systeem dat wel energie maar geen materie uitwisselt
met zijn omgeving
o Open systeem: systeem dat zowel energie als materie uitwisselt
- Universum: systeem + omgeving
- Levend organisme = open systeem
o Strategieën om energie uit hun omgeving te halen:
, Ze nemen chemische brandsto en op uit hun omgeving en
extraheren energie door ze te oxideren;
Ze absorberen energie uit zonlicht (planten en bepaalde bacteriën).
Cellen: zeer e ectieve omzetters van energie
- Tijdens energieomzettingen stijgt de
wanorde van het systeem en zijn
omgeving (uitgedrukt als entropie),
de potentiële energie van de complexe
voedingsmoleculen daalt
- Levende organismen:
a) Extraheren energie uit hun omgeving;
b) Converteren een deel daarvan in
bruikbare vormen van energie
om arbeid te verrichten;
c) Geven een deel energie weer af aan
de omgeving als warmte niet 100%
e iciënt
d) Stellen eindproductmoleculen vrij die
minder georganiseerd zijn dan de
startbrandstof, wat bijdraagt tot een
stijging in de entropie;
e) Zorgen voor gestegen orde (dus
minder wanorde) in het systeem in de
vorm van complexe
macromoleculen.
Energiebronnen voor organismen
- Fotosynthese: lichtenergie gebruiken om
energierijke producten te maken
(zetmeel en glucose) + vrijstelling O2
- Respiratie (cellulaire ademhaling):
oxideren van de energierijke
fotosyntheseproducten en geven hierbij
de elektronen door aan O2 om zo water en CO2 en andere producten te vormen
Respirerende en fotosynthetische organismen zijn innig met elkaar verbonden en zelfs
van elkaar afhankelijk.
,De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Hydrogeneringsreacties reducties: Wanneer een molecule in een cel een elektron
oppikt, dan pikt het vaak op hetzelfde moment een proton (H+) op (protonen zijn vrij
beschikbaar in water). Het netto-e ect is dan dat er een waterstofatoom aan de
molecule wordt toegevoegd: A + e– + H+ → AH.
Omgekeerd zijn de dehydrogeneringsreacties oxidaties
- Reductie treedt op als het aantal C-H-bindingen stijgt
- Oxidatie treedt op als het aantal C-H-bindingen daalt
o Cel oxideert organische sto en niet in één stap stapsgewijze
oxidatie van moleculen maakt het mogelijk om nuttige hoeveelheden
energie te extraheren (geen directe toevoeging van O2)
Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar
- Mechanische energiekoppeling (doos op helling aan katrol)
- Chemische energiekoppeling: energievrijstellende (exergone) reactie drijft een
energievergende (endergone) reactie
Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP, NADH)
- Tijdelijke opslag energie later aanspreken wanneer nodig
o Meestal: chemische bindingsenergie kleine geactiveerde
carriermoleculen: di underen snel dwars door de cel naar de plaats waar
zij nodig zijn.
- Geactiveerde carriers stockeren energie: gemakkelijk transfereerbare groep, of
als hoge-energie-elektronen
Activated carrier Groep carried in high-energy linkage
ATP Fosfaat
NADH, NADPH, FADH2 Electrons and hydrogens
Acetyl CoA Acetyl group
Carboxylated biotin Carboxyl group
S-Adenosylmethionine Methyl group
Uridine diphosphate glucose Glucose
- De vorming van een geactiveerde carrier wordt gekoppeld aan een energetisch
gunstige reactie
- Energie die vrijkomt bij de afbraak van energierijke voedingsmoleculen, wordt
overgedragen naar carriermoleculen gebruikt om energetisch ongunstige
reacties aan te drijven.
, Analogie met vallende rotsblokken: die energie die normaal verloren gaat als warmte
gebruiken
Voorbeeld:
A) directe verbranding van suiker tot CO2 en H2O
B) B is dan dat de reactie wordt gekoppeld aan een reactie waarin geactiveerde
carriermoleculen worden gevormd
C) C: de potentiële energie die opgeslagen zit in de geactiveerde carrier
kan later worden gebruikt om chemische arbeid te verrichten.
Enzymen bevorderen ketens van reacties
Een exergone reactie (niet per se snel)
- Activeringsbarrière: moet worden genomen als de reactie wil doorgaan
- Transitietoestand: het hoogste punt in het reactiecoördinaatdiagram
Enzymen = biokatalysten die de snelheid van een reactie verhogen zonder zelf verbruikt
te worden
- Verlagen de energiebarrière tussen reagens en product
o Analogie met kantelen van vierkant versus rollen van wiel
- Activeringsenergie kan worden bereikt door verwarming kinetische energie van
de moleculen stijgt onmogelijk aangezien levende organismen een constante
temperatuur nastreven (risico denaturatie)
- Versnellen reacties door bindingse ecten: 2 reagentia binden stereospecifieke
manier aan het enzymoppervlak waarschijnlijkheid van reageren verhoogd
(nabijheids- en oriëntatie-e ecten)
Reagentia vervormt Ea verlaagt reactiesnelheid versnelt
- Eiwitten (meestal)
- Elk enzym katalyseert een specifieke reactie + elke reactie in de cel gekatalyseerd
door een ander enzym (enkele uitzonderingen)
- Veelvoud aan enzymen + specificiteit van enzymen (zij kunnen een onderscheid
maken tussen zeer verwante reagentia) + regelbaarheid van enzymen
Specifiek bepaalde activeringsbarrières verlagen.
- Werking van enzymen kan ervoor zorgen dat er orde wordt geschapen in de vele
mogelijke richtingen waarin moleculen kunnen reager
- Actieve site: waar het substraat zal binden (op een stereospecifieke manier) en
waar de reactie zal worden bevorderd
Katabole pathways: degraderen voedingssto en om er energie uit te extraheren in een
vorm die bruikbaar is voor de cel
