Samenvatting
metabolisme
Prof. Johan van Lint
1
,2
,Inhoudsopgave
1. Bio-energetica ...................................................................................................................................................................... 5
1.1 De energetische logica van het leven ........................................................................................................................ 5
1.2 Thermodynamische basisprincipes van de bio-energetica ........................................................................................ 7
1.3 Fosforylgroeptransfers en ATP .................................................................................................................................. 9
1.4 Biologische redoxreacties ........................................................................................................................................ 12
2. Enzymen ............................................................................................................................................................................ 14
2.1 Algemene inleiding .................................................................................................................................................. 14
2.2 Werkingsmechanismen van enzymen .................................................................................................................... 15
2.3 Enzymkinetiek ......................................................................................................................................................... 18
2.4 Regeling van enzymactiviteit................................................................................................................................... 20
2.5 Klinisch belang van enzymen .................................................................................................................................. 22
3. Glycolyse en fermentatie .................................................................................................................................................. 24
3.1 Algemene inleiding tot metabolisme ...................................................................................................................... 24
3.2 Glycolyse ................................................................................................................................................................. 24
3.3 Mogelijke omzettingen van pyruvaat ...................................................................................................................... 28
3.4 Toevoerwegen naar de glycolyse ............................................................................................................................ 30
4. Acetyl-CoA productiemechanismen en de Krebscyclus ..................................................................................................... 31
4.1 Algemene inleiding .................................................................................................................................................. 31
4.2 Acetyl-CoA productiemechanismen ......................................................................................................................... 31
4.3 Overzicht van de Krebscyclus .................................................................................................................................. 35
4.4 De 8 stappen van de Krebscyclus ............................................................................................................................ 35
4.5 De energie van de oxidaties in de cyclus wordt efficiënt geconserveerd ................................................................. 38
4.6 De centrale plaats van de Krebscyclus in het cellulaire metabolisme ..................................................................... 38
4.7 Regeling van de Krebscyclus ................................................................................................................................... 40
4.8 Energiereserves bij vasten ....................................................................................................................................... 40
5 Gluconeogenese......................................................................................................................................................................... 41
5.1 Algemene inleiding op gluconeogenese .................................................................................................................. 41
5.2 Reacties uniek voor de gluconeogenese .................................................................................................................. 41
5.3 Overzicht van de reacties gemeenschappelijk aan glycolyse en gluconeogenese ................................................... 42
5.4 Substraten van gluconeogenese.............................................................................................................................. 42
5.5 Regeling van de gluconeogenese ............................................................................................................................ 43
6 Glycogeenmetabolisme .............................................................................................................................................................. 44
6.1 Algemene inleiding op glycogeenmetabolisme ....................................................................................................... 44
6.2 Structuur en functie van glycogeen ......................................................................................................................... 44
6.3 Synthese van glycogeen .......................................................................................................................................... 44
7 Elektronentransport en oxidatieve fosforylatie ....................................................................................................................... 49
7.1 Algemene inleiding op glycogeenmetabolisme ....................................................................................................... 49
7.2 Overzicht van elektrontransport en oxidatieve fosforylering: de weg die wordt gevolgd ....................................... 50
7.3 Details van elektrontransport, protonpompen en ATP-synthase: de moleculaire stappen ..................................... 52
7.4 Regeling en ontregeling van oxidatieve fosforylering ............................................................................................. 55
8 Metabolisme van lipiden .......................................................................................................................................................... 57
8.1 Algemene inleiding .................................................................................................................................................. 57
8.2 Metabolisme van lipiden in voeding ....................................................................................................................... 57
8.3 Metabolisme van vetzuren en triglyceriden ............................................................................................................ 59
3
, 8.4 Ketonlichamen: een alternatieve brandstof voor cellen.......................................................................................... 60
8.5 Metabolisme van cholesterol en galzuren/galzouten ............................................................................................. 61
8.6 Plasmalipoproteïnen................................................................................................................................................ 63
9 Integratie van het metabolisme ............................................................................................................................................... 67
9.1 Algemene inleiding .................................................................................................................................................. 67
9.2 Beknopt overzicht van de metabole effecten van insuline en glucagon .................................................................. 67
9.3 Insuline .................................................................................................................................................................... 67
9.4 Glucagon ................................................................................................................................................................. 68
9.5 Hypoglykemie .......................................................................................................................................................... 69
9.6 Metabolisme in de gevoede toestand ..................................................................................................................... 70
9.8 Diabetes mellitus..................................................................................................................................................... 72
10 Vitaminen .......................................................................................................................................................................... 74
10.1 Vitamine A ....................................................................................................................................................... 74
10.2 Vitamine B1 (Thiamine) ................................................................................................................................... 76
10.3 Vitamine B2 (Riboflavine) ................................................................................................................................ 76
10.4 Panthotheenzuur ............................................................................................................................................. 76
10.5 Vitamine B6 ..................................................................................................................................................... 76
10.6 Vitamine B3 (Niacine) ...................................................................................................................................... 77
10.7 Biotine.............................................................................................................................................................. 77
10.8 Vitamine C ....................................................................................................................................................... 78
10.9 Vitamine D ....................................................................................................................................................... 78
10.10 Vitamine E ....................................................................................................................................................... 79
10.11 Vitamine K ....................................................................................................................................................... 79
10.12 Vitamine B12 (cobalamine) ............................................................................................................................. 79
10.13 Foliumzuur ....................................................................................................................................................... 80
4
,1. Bio-energetica
1.1 De energetische logica van het leven
1.1.1 Energieproductie en consumptie in het metabolisme
De cel heeft energie nodig omdat ze:
• Informatie moet kunnen opslaan + tot expressie brengen
• Biosynthetische reacties moet uitvoeren
• Gehele cel (of organellen daarbinnen) moet kunnen bewegen
• Onevenwicht met de buitenwereld moet onderhouden
1.1.1.1 Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
Conc v moleculen en ionen in en uit cel verschillen -> cel moet actief stoffen naar binnen/buiten
pompen -> kost energie
Dynamische steady state: moleculen worden gesynthetiseerd & afgebroken in continue stroom v
reacties -> veronderstelt continue stroom v massa & energie
➔ Energie nodig om dynamische steady state te behouden
1.1.1.2 Levende organismen zijn open systemen die energie en materie uit hun omgeving transformeren
Geïsoleerd systeem: gn uitwisseling v energie en materie
Gesloten systeem: uitwisseling v energie, nt v materie
Open systeem: uitwisseling v energie en materie
Levende organismen = open systeem: wisselen energie en materie uit met omgeving
Via strategieën:
- nemen chemische brandstoffen op uit omgeving & extraheren energie door
ze te oxideren
- absorberen energie uit zonlicht (planten en bepaalde bacteriën)
Cellen zijn zeer effectieve omzetters van energie:
Levende organismen:
a. Extraheren energie uit omgeving
b. Converteren deel in bruikbare vormen v E om arbeid te
verrichten
c. Geven deel E af aan omgeving = warmte
d. Stellen eindproductmoleculen vrij (minder georganiseerd)
-> stijging entropie
e. Zorgen voor minder wanorde in systeem door complexe
macromoleculen -> daling entropie
1.1.1.3 Fotosynthese en respiratie
Fotosynthese:
lichtenergie capteren & gebruiken om e- v water door te geven naar CO2
vorming v energierijke producten: zetmeel en sucrose (suikers) & vrijstelling v O2
5
, Respiratie:
energierijke fotosyntheseproducten oxideren & e-
doorgeven aan O2
vorming v water, CO2 en andere producten
1.1.1.4 De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Hydrogeneringsreactie (reductie & opname v e-): A + e- + H+ -> AH
Reductie: aantal C-H bindingen stijgt
Dehydrogeneringsreactie (oxidatie & afstaan v e-): AH -> A + e- + H+
Oxidatie: aantal C-H bindingen daalt
In cel: stapsgewijze oxidatie (dus nt in 1 stap): metabolisme gebruikt enzymkatalysatoren & neemt
moleculen mee langs reeks v reacties -> mogelijk om nuttige hoeveelheden energie te extraheren
1.1.1.5 Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar
Gekoppelde reacties: chem reacties worden gekoppeld -> E-vrijstellende reactie (exergoon) drijft
E-vergende reactie (endergoon) aan
1.1.1.6 Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP, NADH)
Geactiveerde carriers: stockeren energie als gemakkelijk transfereerbare groep of als hoge- energie-e-
(= bron voor energie & chemische groepen) + diffunderen snel naar plaats waar nodig
Vb. ATP, NADH/NADPH
Vorming v geactiveerde carriers wordt gekoppeld aan energetisch gunstige reactie:
Enzymen gekatalyseerde reacties -> groot deel v vrije E wordt gecapteerd in
chemisch bruikbare vorm (normaal verloren als warmte)
a. E komt vrij bij afbraak v energierijke voedingsmoleculen
b. Wordt overgedragen aan carriermoleculen
c. Drijft energetisch ongunstige reactie aan
1.1.1.7 Enzymen bevorderen ketens van reacties
Activeringsbarrière = energiebarrière die genomen moet worden als de reactie wil doorgaan
➔ Activeringsenergie nodig om energiebarrière te overkomen
Transitietoestand = hoogste punt in het reactiecoördinaatdiagram,
bestaande bindingen zijn gebogen
Enzymen = biokatalysten die snelheid v reactie verhogen zonder zelf
verbruikt te worden + verlagen energiebarrière tss reagens en product
Regelbaarheid v enzymen: door veelvoud & specificiteit
‘actieve site’ = plaats op enzym waar substraat zal binden & waar reactie zal worden bevorderd
Pathways: enzymgekatalyseerde reacties zijn georganiseerd in opeenvolgende reacties (product v
ene reactie wordt reagens v volgende reactie)
6
metabolisme
Prof. Johan van Lint
1
,2
,Inhoudsopgave
1. Bio-energetica ...................................................................................................................................................................... 5
1.1 De energetische logica van het leven ........................................................................................................................ 5
1.2 Thermodynamische basisprincipes van de bio-energetica ........................................................................................ 7
1.3 Fosforylgroeptransfers en ATP .................................................................................................................................. 9
1.4 Biologische redoxreacties ........................................................................................................................................ 12
2. Enzymen ............................................................................................................................................................................ 14
2.1 Algemene inleiding .................................................................................................................................................. 14
2.2 Werkingsmechanismen van enzymen .................................................................................................................... 15
2.3 Enzymkinetiek ......................................................................................................................................................... 18
2.4 Regeling van enzymactiviteit................................................................................................................................... 20
2.5 Klinisch belang van enzymen .................................................................................................................................. 22
3. Glycolyse en fermentatie .................................................................................................................................................. 24
3.1 Algemene inleiding tot metabolisme ...................................................................................................................... 24
3.2 Glycolyse ................................................................................................................................................................. 24
3.3 Mogelijke omzettingen van pyruvaat ...................................................................................................................... 28
3.4 Toevoerwegen naar de glycolyse ............................................................................................................................ 30
4. Acetyl-CoA productiemechanismen en de Krebscyclus ..................................................................................................... 31
4.1 Algemene inleiding .................................................................................................................................................. 31
4.2 Acetyl-CoA productiemechanismen ......................................................................................................................... 31
4.3 Overzicht van de Krebscyclus .................................................................................................................................. 35
4.4 De 8 stappen van de Krebscyclus ............................................................................................................................ 35
4.5 De energie van de oxidaties in de cyclus wordt efficiënt geconserveerd ................................................................. 38
4.6 De centrale plaats van de Krebscyclus in het cellulaire metabolisme ..................................................................... 38
4.7 Regeling van de Krebscyclus ................................................................................................................................... 40
4.8 Energiereserves bij vasten ....................................................................................................................................... 40
5 Gluconeogenese......................................................................................................................................................................... 41
5.1 Algemene inleiding op gluconeogenese .................................................................................................................. 41
5.2 Reacties uniek voor de gluconeogenese .................................................................................................................. 41
5.3 Overzicht van de reacties gemeenschappelijk aan glycolyse en gluconeogenese ................................................... 42
5.4 Substraten van gluconeogenese.............................................................................................................................. 42
5.5 Regeling van de gluconeogenese ............................................................................................................................ 43
6 Glycogeenmetabolisme .............................................................................................................................................................. 44
6.1 Algemene inleiding op glycogeenmetabolisme ....................................................................................................... 44
6.2 Structuur en functie van glycogeen ......................................................................................................................... 44
6.3 Synthese van glycogeen .......................................................................................................................................... 44
7 Elektronentransport en oxidatieve fosforylatie ....................................................................................................................... 49
7.1 Algemene inleiding op glycogeenmetabolisme ....................................................................................................... 49
7.2 Overzicht van elektrontransport en oxidatieve fosforylering: de weg die wordt gevolgd ....................................... 50
7.3 Details van elektrontransport, protonpompen en ATP-synthase: de moleculaire stappen ..................................... 52
7.4 Regeling en ontregeling van oxidatieve fosforylering ............................................................................................. 55
8 Metabolisme van lipiden .......................................................................................................................................................... 57
8.1 Algemene inleiding .................................................................................................................................................. 57
8.2 Metabolisme van lipiden in voeding ....................................................................................................................... 57
8.3 Metabolisme van vetzuren en triglyceriden ............................................................................................................ 59
3
, 8.4 Ketonlichamen: een alternatieve brandstof voor cellen.......................................................................................... 60
8.5 Metabolisme van cholesterol en galzuren/galzouten ............................................................................................. 61
8.6 Plasmalipoproteïnen................................................................................................................................................ 63
9 Integratie van het metabolisme ............................................................................................................................................... 67
9.1 Algemene inleiding .................................................................................................................................................. 67
9.2 Beknopt overzicht van de metabole effecten van insuline en glucagon .................................................................. 67
9.3 Insuline .................................................................................................................................................................... 67
9.4 Glucagon ................................................................................................................................................................. 68
9.5 Hypoglykemie .......................................................................................................................................................... 69
9.6 Metabolisme in de gevoede toestand ..................................................................................................................... 70
9.8 Diabetes mellitus..................................................................................................................................................... 72
10 Vitaminen .......................................................................................................................................................................... 74
10.1 Vitamine A ....................................................................................................................................................... 74
10.2 Vitamine B1 (Thiamine) ................................................................................................................................... 76
10.3 Vitamine B2 (Riboflavine) ................................................................................................................................ 76
10.4 Panthotheenzuur ............................................................................................................................................. 76
10.5 Vitamine B6 ..................................................................................................................................................... 76
10.6 Vitamine B3 (Niacine) ...................................................................................................................................... 77
10.7 Biotine.............................................................................................................................................................. 77
10.8 Vitamine C ....................................................................................................................................................... 78
10.9 Vitamine D ....................................................................................................................................................... 78
10.10 Vitamine E ....................................................................................................................................................... 79
10.11 Vitamine K ....................................................................................................................................................... 79
10.12 Vitamine B12 (cobalamine) ............................................................................................................................. 79
10.13 Foliumzuur ....................................................................................................................................................... 80
4
,1. Bio-energetica
1.1 De energetische logica van het leven
1.1.1 Energieproductie en consumptie in het metabolisme
De cel heeft energie nodig omdat ze:
• Informatie moet kunnen opslaan + tot expressie brengen
• Biosynthetische reacties moet uitvoeren
• Gehele cel (of organellen daarbinnen) moet kunnen bewegen
• Onevenwicht met de buitenwereld moet onderhouden
1.1.1.1 Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
Conc v moleculen en ionen in en uit cel verschillen -> cel moet actief stoffen naar binnen/buiten
pompen -> kost energie
Dynamische steady state: moleculen worden gesynthetiseerd & afgebroken in continue stroom v
reacties -> veronderstelt continue stroom v massa & energie
➔ Energie nodig om dynamische steady state te behouden
1.1.1.2 Levende organismen zijn open systemen die energie en materie uit hun omgeving transformeren
Geïsoleerd systeem: gn uitwisseling v energie en materie
Gesloten systeem: uitwisseling v energie, nt v materie
Open systeem: uitwisseling v energie en materie
Levende organismen = open systeem: wisselen energie en materie uit met omgeving
Via strategieën:
- nemen chemische brandstoffen op uit omgeving & extraheren energie door
ze te oxideren
- absorberen energie uit zonlicht (planten en bepaalde bacteriën)
Cellen zijn zeer effectieve omzetters van energie:
Levende organismen:
a. Extraheren energie uit omgeving
b. Converteren deel in bruikbare vormen v E om arbeid te
verrichten
c. Geven deel E af aan omgeving = warmte
d. Stellen eindproductmoleculen vrij (minder georganiseerd)
-> stijging entropie
e. Zorgen voor minder wanorde in systeem door complexe
macromoleculen -> daling entropie
1.1.1.3 Fotosynthese en respiratie
Fotosynthese:
lichtenergie capteren & gebruiken om e- v water door te geven naar CO2
vorming v energierijke producten: zetmeel en sucrose (suikers) & vrijstelling v O2
5
, Respiratie:
energierijke fotosyntheseproducten oxideren & e-
doorgeven aan O2
vorming v water, CO2 en andere producten
1.1.1.4 De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Hydrogeneringsreactie (reductie & opname v e-): A + e- + H+ -> AH
Reductie: aantal C-H bindingen stijgt
Dehydrogeneringsreactie (oxidatie & afstaan v e-): AH -> A + e- + H+
Oxidatie: aantal C-H bindingen daalt
In cel: stapsgewijze oxidatie (dus nt in 1 stap): metabolisme gebruikt enzymkatalysatoren & neemt
moleculen mee langs reeks v reacties -> mogelijk om nuttige hoeveelheden energie te extraheren
1.1.1.5 Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar
Gekoppelde reacties: chem reacties worden gekoppeld -> E-vrijstellende reactie (exergoon) drijft
E-vergende reactie (endergoon) aan
1.1.1.6 Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP, NADH)
Geactiveerde carriers: stockeren energie als gemakkelijk transfereerbare groep of als hoge- energie-e-
(= bron voor energie & chemische groepen) + diffunderen snel naar plaats waar nodig
Vb. ATP, NADH/NADPH
Vorming v geactiveerde carriers wordt gekoppeld aan energetisch gunstige reactie:
Enzymen gekatalyseerde reacties -> groot deel v vrije E wordt gecapteerd in
chemisch bruikbare vorm (normaal verloren als warmte)
a. E komt vrij bij afbraak v energierijke voedingsmoleculen
b. Wordt overgedragen aan carriermoleculen
c. Drijft energetisch ongunstige reactie aan
1.1.1.7 Enzymen bevorderen ketens van reacties
Activeringsbarrière = energiebarrière die genomen moet worden als de reactie wil doorgaan
➔ Activeringsenergie nodig om energiebarrière te overkomen
Transitietoestand = hoogste punt in het reactiecoördinaatdiagram,
bestaande bindingen zijn gebogen
Enzymen = biokatalysten die snelheid v reactie verhogen zonder zelf
verbruikt te worden + verlagen energiebarrière tss reagens en product
Regelbaarheid v enzymen: door veelvoud & specificiteit
‘actieve site’ = plaats op enzym waar substraat zal binden & waar reactie zal worden bevorderd
Pathways: enzymgekatalyseerde reacties zijn georganiseerd in opeenvolgende reacties (product v
ene reactie wordt reagens v volgende reactie)
6
