Hoofdstuk 2 : Basisbegrippen van bio-energetica
∆𝐺 <0 : spontaan
∆𝐺>0 : niet spontaan -> wordt gekoppeld aan spontane reactie
-> energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers
Productie ATP kan op 2 manieren:
1. Transfer van fosfaat uit energierijke verbinding naar ADP
2. Elektronentransport in mitochondrien
2.1 Welke soorten arbeid moeten cellen verrichten?
Dynamische steady state = er worden continu molecule afgebroken dus moet de cel steeds
moleculen blijven aanmaken om de steady state te behouden. De concentratie van moleculen lijkt
constant, maar is dat niet want er is geen evenwicht maar een steady state.
-> niemand is in evenwicht met de omgeving (in evenwicht met omgeving = geen
concentratiegradient) -> onevenwicht behouden kost energie
-> thermodynamisch is iedereen in evenwicht met de omgeving
2.2 Welke energieomzettingen en moleculaire omzettingen gebeuren er in een cel om
cellulaire arbeid te kunnen verrichten?
Energie uit omgeving zorgt voor:
o Metabole energieomzettingen -> wanorde/entropie stijgt (eindproducten zijn kleine
moleculen)
o Macromoleculen -> entropie daalt
o Warmte
Fotosynthese = CO2 + H2O +licht (energie) -> O2 + suikers
Cellulaire respiratie = suikers + O2 -> CO2 + H2O + energie
2.3 Hoe kunnen we energie tijdelijk opslaan?
Energie wordt opgeslagen als chemische bindingsenergie in geactiveerde carriermoleculen.
Bv. ATP, NADH/NADPH
-> bron van energie en chemische groepen voor biosynthesereacties
Energie opslag als:
- transfereerbare groep
- hoge-energie-elektronen
Gekoppelde reactie = energetisch gunstige reactie wordt gekoppeld aan een energetisch
ongunstige reactie, die een geactiveerde carrier aanmaakt -> potentiele energie opgeslagen in
carrier kan worden gebruikt voor een energetisch ongunstige reactie
Geactiveerde carrier Energierijke groep/verbinding
ATP Fosfaat
NADH, NADPH, FADH2 Elektronen en H+
Acetyl CoA Acetyl groep
Carboxylated biotin Carboxyl groep
S-adenosylmethionine Methyl groep
Uridine difosfaat glucose Glucose
1
,2.4 Hoe kunnen ongunstige reacties toch doorgaan?
De hoeveelheid energie die effectief beschikbaar is voor arbeid te verrichten ( = vrije energie G),
zal altijd kleiner zijn dan de theoretische potentiele energie omdat een deel van de energie altijd
verloren gaat als warmte.
Chemische reacties worden gekoppeld zodat een energieleverende (exergone) reactie een
energievergende (endergone) reactie aandrijft.
-> geactiveerde carriers drijven endergone reacties aan, door hun opgeslagen energie af te geven
2.5 Hoe laten we spontane reacties met een hoge activeringsenergie sneller verlopen?
Spontaniteit -> ∆𝐺
Snelheid/gemak -> EA (activeringsenergie)
=> energetisch gunstig of ongunstig zegt niets over de snelheid van de reactie
Enzymen katalyseren reacties via verlagen (of verhogen) van activeringsenergie
-> meeste reacties in cel gebeuren katalytisch -> voordeel: minder chaos, als reactie niet nodig is
gebeurt die niet/heel traag
Katabolisme = metabole paden die voedingsmoleculen afbreken -> levert energie op
Anabolisme = metabole paden die macromoleculen produceren -> kost energie
2.6 Welk soort thermodynamisch systeem is een levend organisme?
Geïsoleerd systeem: geen uitwisseling
Gesloten systeem: warmte-uitwisseling
Open systeem: uitwisseling van warmte en materie
1e wet van Thermodynamica: Behoud van energie
= energie wordt omgezet van de ene vorm naar de andere vorm
(wordt dus niet aangemaakt in mitochondrien maar omgezet)
2e wet van Thermodynamica: De wanorde van het universum kan alleen maar toenemen
Organisme maakt geordende macromoleculen uit wanordelijke monomeren -> entropie daalt
+ geeft warmte af aan omgeving -> entropie stijgt
=> wanorde van universum (organisme + alles daarbuiten) zal dus toenemen
(geldt niet voor open systemen)
2.7 Wat is het nut van ‘vrije energie’?
Vrije energie G = energie in een systeem die vrij beschikbaar is voor het verrichten van arbeid
∆G = ∆H -T∆S
∆G = ∆G0 + 0,616 ln[𝐵]/[𝐴]
-> ∆G = 0 -> ∆G0= - 0,616 ln[𝐵]/[𝐴]
-> of de reactie naar rechts of links gaat hangt af van de verhouding tss B en A
-> enzymen kunnen ∆G of ∆G0 niet veranderen
-> ∆G van opeenvolgende reacties moeten opgeteld worden
In standaardcondities is ∆G = ∆G0 (want conc B = conc A)
2
, 2.8 Hoge-energieverbindingen
• Wat is een hoge-energieverbinding?
= een binding waarvoor de hydrolysereactie (splitsing) een sterk negatieve ∆G heeft
Voorbeeld: ∆G0 van ATP is -7,3 -> hydrolyse van ATP koppelen aan reactie met ∆G0= +5
kan want totale ∆G0 is dan -2.
• Waarom is ATP een hoge-energieverbinding?
o Fosfaten zorgen voor intramoleculaire afstotingen -> ADP + Pi is stabieler dan ATP
o ADP en Pi zetten proton af -> ADP2- wordt ADP3- -> concentratie ADP2- daalt
-> hydrolyse gaat beter
o Resonantiestabilisatie van Pi door herschikking van P=O bindingen
• Wat is de rol van verbindingen met nog hogere energie dan ATP?
= ∆G voor afsplitsing Pi is nog meer negatief dan bij ATP
-> Hydrolyse van moleculen (met hogere energie dan ATP) wordt gebruikt voor het
aandrijven van de ATP-synthese.
-> ATP is intermediair: energierijkere moleculen kunnen ATP synthetiseren + ATP kan
gebruikt worden voor het fosforyleren van andere moleculen
o Fosfo-enolpyruvaat
PEP + H2O -> pyruvaat + Pi (in glycolyse)
× Fosfaat op C van C=C binding -> brede elektronenwolg + intramoleculaire
afstotingen
× Ketovorm heeft een stabielere schikking van elektronen
× Resonantiestabilisatie van Pi
o 1,3-bisfosfoglyceraat
(In glycolyse)
× Ionisatie van 3-fosfoglycerinezuur
× Resonantiestabilisatie van COO- van 3-fosfoglyceraat
× Resonantiestabilisatie van Pi
o Fosfocreatine
= buffervoorraad om te vermijden dat ATP opgeraakt -> fosfaat van ATP wordt
overgedragen naar creatine -> vorming fosfocreatine
(In spier)
× Resonantiestabilisatie door verspreiding elektronen over 3 C-N bindingen
× Resonantiestabilisatie van Pi
o Acetyl CoA (niet-fosfaatverbinding)
= thio-esterverbinding (bevat zwavel S)
× Ionisering van gevormde azijnzuur
× Resonantiestabilisatie van gevormde acetaat
3
∆𝐺 <0 : spontaan
∆𝐺>0 : niet spontaan -> wordt gekoppeld aan spontane reactie
-> energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers
Productie ATP kan op 2 manieren:
1. Transfer van fosfaat uit energierijke verbinding naar ADP
2. Elektronentransport in mitochondrien
2.1 Welke soorten arbeid moeten cellen verrichten?
Dynamische steady state = er worden continu molecule afgebroken dus moet de cel steeds
moleculen blijven aanmaken om de steady state te behouden. De concentratie van moleculen lijkt
constant, maar is dat niet want er is geen evenwicht maar een steady state.
-> niemand is in evenwicht met de omgeving (in evenwicht met omgeving = geen
concentratiegradient) -> onevenwicht behouden kost energie
-> thermodynamisch is iedereen in evenwicht met de omgeving
2.2 Welke energieomzettingen en moleculaire omzettingen gebeuren er in een cel om
cellulaire arbeid te kunnen verrichten?
Energie uit omgeving zorgt voor:
o Metabole energieomzettingen -> wanorde/entropie stijgt (eindproducten zijn kleine
moleculen)
o Macromoleculen -> entropie daalt
o Warmte
Fotosynthese = CO2 + H2O +licht (energie) -> O2 + suikers
Cellulaire respiratie = suikers + O2 -> CO2 + H2O + energie
2.3 Hoe kunnen we energie tijdelijk opslaan?
Energie wordt opgeslagen als chemische bindingsenergie in geactiveerde carriermoleculen.
Bv. ATP, NADH/NADPH
-> bron van energie en chemische groepen voor biosynthesereacties
Energie opslag als:
- transfereerbare groep
- hoge-energie-elektronen
Gekoppelde reactie = energetisch gunstige reactie wordt gekoppeld aan een energetisch
ongunstige reactie, die een geactiveerde carrier aanmaakt -> potentiele energie opgeslagen in
carrier kan worden gebruikt voor een energetisch ongunstige reactie
Geactiveerde carrier Energierijke groep/verbinding
ATP Fosfaat
NADH, NADPH, FADH2 Elektronen en H+
Acetyl CoA Acetyl groep
Carboxylated biotin Carboxyl groep
S-adenosylmethionine Methyl groep
Uridine difosfaat glucose Glucose
1
,2.4 Hoe kunnen ongunstige reacties toch doorgaan?
De hoeveelheid energie die effectief beschikbaar is voor arbeid te verrichten ( = vrije energie G),
zal altijd kleiner zijn dan de theoretische potentiele energie omdat een deel van de energie altijd
verloren gaat als warmte.
Chemische reacties worden gekoppeld zodat een energieleverende (exergone) reactie een
energievergende (endergone) reactie aandrijft.
-> geactiveerde carriers drijven endergone reacties aan, door hun opgeslagen energie af te geven
2.5 Hoe laten we spontane reacties met een hoge activeringsenergie sneller verlopen?
Spontaniteit -> ∆𝐺
Snelheid/gemak -> EA (activeringsenergie)
=> energetisch gunstig of ongunstig zegt niets over de snelheid van de reactie
Enzymen katalyseren reacties via verlagen (of verhogen) van activeringsenergie
-> meeste reacties in cel gebeuren katalytisch -> voordeel: minder chaos, als reactie niet nodig is
gebeurt die niet/heel traag
Katabolisme = metabole paden die voedingsmoleculen afbreken -> levert energie op
Anabolisme = metabole paden die macromoleculen produceren -> kost energie
2.6 Welk soort thermodynamisch systeem is een levend organisme?
Geïsoleerd systeem: geen uitwisseling
Gesloten systeem: warmte-uitwisseling
Open systeem: uitwisseling van warmte en materie
1e wet van Thermodynamica: Behoud van energie
= energie wordt omgezet van de ene vorm naar de andere vorm
(wordt dus niet aangemaakt in mitochondrien maar omgezet)
2e wet van Thermodynamica: De wanorde van het universum kan alleen maar toenemen
Organisme maakt geordende macromoleculen uit wanordelijke monomeren -> entropie daalt
+ geeft warmte af aan omgeving -> entropie stijgt
=> wanorde van universum (organisme + alles daarbuiten) zal dus toenemen
(geldt niet voor open systemen)
2.7 Wat is het nut van ‘vrije energie’?
Vrije energie G = energie in een systeem die vrij beschikbaar is voor het verrichten van arbeid
∆G = ∆H -T∆S
∆G = ∆G0 + 0,616 ln[𝐵]/[𝐴]
-> ∆G = 0 -> ∆G0= - 0,616 ln[𝐵]/[𝐴]
-> of de reactie naar rechts of links gaat hangt af van de verhouding tss B en A
-> enzymen kunnen ∆G of ∆G0 niet veranderen
-> ∆G van opeenvolgende reacties moeten opgeteld worden
In standaardcondities is ∆G = ∆G0 (want conc B = conc A)
2
, 2.8 Hoge-energieverbindingen
• Wat is een hoge-energieverbinding?
= een binding waarvoor de hydrolysereactie (splitsing) een sterk negatieve ∆G heeft
Voorbeeld: ∆G0 van ATP is -7,3 -> hydrolyse van ATP koppelen aan reactie met ∆G0= +5
kan want totale ∆G0 is dan -2.
• Waarom is ATP een hoge-energieverbinding?
o Fosfaten zorgen voor intramoleculaire afstotingen -> ADP + Pi is stabieler dan ATP
o ADP en Pi zetten proton af -> ADP2- wordt ADP3- -> concentratie ADP2- daalt
-> hydrolyse gaat beter
o Resonantiestabilisatie van Pi door herschikking van P=O bindingen
• Wat is de rol van verbindingen met nog hogere energie dan ATP?
= ∆G voor afsplitsing Pi is nog meer negatief dan bij ATP
-> Hydrolyse van moleculen (met hogere energie dan ATP) wordt gebruikt voor het
aandrijven van de ATP-synthese.
-> ATP is intermediair: energierijkere moleculen kunnen ATP synthetiseren + ATP kan
gebruikt worden voor het fosforyleren van andere moleculen
o Fosfo-enolpyruvaat
PEP + H2O -> pyruvaat + Pi (in glycolyse)
× Fosfaat op C van C=C binding -> brede elektronenwolg + intramoleculaire
afstotingen
× Ketovorm heeft een stabielere schikking van elektronen
× Resonantiestabilisatie van Pi
o 1,3-bisfosfoglyceraat
(In glycolyse)
× Ionisatie van 3-fosfoglycerinezuur
× Resonantiestabilisatie van COO- van 3-fosfoglyceraat
× Resonantiestabilisatie van Pi
o Fosfocreatine
= buffervoorraad om te vermijden dat ATP opgeraakt -> fosfaat van ATP wordt
overgedragen naar creatine -> vorming fosfocreatine
(In spier)
× Resonantiestabilisatie door verspreiding elektronen over 3 C-N bindingen
× Resonantiestabilisatie van Pi
o Acetyl CoA (niet-fosfaatverbinding)
= thio-esterverbinding (bevat zwavel S)
× Ionisering van gevormde azijnzuur
× Resonantiestabilisatie van gevormde acetaat
3
