1. Bio-energetica
fosforylgroeptransfers en ATP
ATP is de energiemunt van de cel die anabolisme en katabolisme met elkaar verbindt
heterotrofe cellen: krijgen vrije energie in chemische vorm uit katabolisme van
voedingsmoleculen => gebruiken het om uit ADP en P ATP te maken => ATP geeft
energie aan endergone processen
Er is een covalente deelname van ATP aan de reactie die moet worden aangedreven,
met als resultaat dat ATP wordt gehydrolyseerd
ATP vormt de link tussen energieproductie en energieverbruik
o Vorming en consumptie van ATP
Verschillende energieomzettingen mogelijk in planten en dieren
- Planten gebruiken energie van het zonlicht om kleurstofmoleculen te exciteren
=> er worden energierijke elektronen gemaakt => gebruikt voor de aanmaak
van gereduceerde cofactoren zoals NAD(P)H via fotosynthetische
elektrontransfer
Cofactoren kunnen verder worden gebruikt voor de biosynthese van
organische moleculen door planten die dan door dieren kunnen worden
opgegeten + organische moleculen kunnen worden gebruikt voor de aanmaak
van NADH bij katabole reacties
- Elektronen van NADH => voor creatie van ionengradiënten door de
elektrontransportketen in de mitochondriën
- Protonengradiënt mitochondriën => gebruikt door ATP-synthase voor de
aanmaak van ATP
- Bacterie: energie van zon opgevangen door kleurstofmoleculen => creatie
van een protonenpomp via de bacteriorodopsine-H+-pomp (BR is een foton
gedreven ion pomp) => ATP-synthas gebruikt het voor de aanmaak van ATP
- Oxidatie reacties waarin cofactoren worden gereduceerd => ATP maken =
substraat niveau fosforylatie
- Potentiële energie in proton gradiënten => omzetten naar warmte in bruin vet
- ATP en gereduceerde cofactoren gebruikt in metabole paden => ATP voor de
synthese van macromoleculen en NADH voor synthese van kleine moleculen
Beiden kunnen worden gebruikt voor bioluminescentie: chemische E omzetten
naar licht
- Chemische energie van ATP omzetten naar mechanische energie
- Chemische energie van ATP voor ATP gedreven pompen (actief transport)
- Ionengradiënten voor aandrijven van gradiënt gedreven porters of voor
aandrijven flagellen
De delta G voor hydrolyse van ATP is groot en negatief
Energierijk= molecule heeft hoge energie bindingen, bindingen waarvan de delta G
van de hydrolyse sterk negatief is
Hydrolytische splitsing van de terminale fosfoanhydridebinding in ATP => één
van de drie – geladen fosfaten verwijdert => vermindert de elektrostatische
afstoting in ATP
Vrijgelaten P gestabiliseerd door verschillende resonantievormen, er wordt een
resonantiehybride gevormd (lagere delta G dan oospronkelijke)
ADP2- die wordt geproduceerd door hydrolyse ioniseert door ADP3- => H+
wordt vrijgesteld
Concentratie van de hydrolyse producten van ATP ver onder de
evenwichtsconcentratie gehouden => massawerking geeft de hydrolyse
reactie nog een extra duw
, Producten P en ADP beter gehydrateerd dan ATP => extra stabilisatie van de
reactieproducten, hebben een lagere delta G
De delta G in standaard omstandigheden is -30kj/mol => eigenlijke delta G van ATP
is veel negatiever: cellulaire concentratie van ADP en P zijn veel lager dan 1M van de
standaard condities => delta G van de hydrolyse uiteindelijk -50 tot -65 kj/mol
Andere gefofosryleerde verbindingen en thioesters hebben ook een sterk – delta
G voor de hydrolyse
o Energierijke verbindingen en hun structurele verklaring
1) Gefosforyleerde verbindingen
PEP= fosfo-enolpyruvaat: het is een intermediair uit de glycolyse
Bevat een fosfaatester binding die gehydrolyseerd kan worden => enol vorm
van pyruvaat, tautomeriseert onmiddellijk tot de stabiele keton vorm, reagens
heeft één vorm en product twee vormen is het product gestabiliseerd en
daardoor heb je een sterk – delta G (reactie voor de synthese van ATP)
1,3-bisfosfoglyceraat: intermediair van de glycolyse
Bevat een anhydridebinding tussen de carboxylgroep op C1 en de
fosfaatgroep, de hydrolyse heeft een sterk – delta G: als water wordt
toegevoegd aan de anhydridebinding => één van de reactieproducten (3-
fosfoglycerinezuur) zal een proton verliezen waardoor je 3-fosfoglyceraat krijgt
=> heeft twee mogelijke resonantievormen (sterke – delta G => reactie voor
de synthese van ATP)
Fosfocreatine: molecule dat we in de spieren opslaan als bron om snel ATP te
maken als we aan spiercontractie doen
Fosfaat gebonden via een P-N binding, kan gehydrolyseerd worden => vrij
creatine en P => vrijstelling P en de resonantiestabilisatie bevorderen een –
delta G
2) Thio-esther verbindingen
S vervangt O in de esterbinding, hebben een sterk – delta G
Acetyl CoA: belangrijk intermediair voor het metabolisme, acylgroep gebruikt
voor trans acylatie en condensatie en redoxreacties
Hydrolyse en afgifte van een proton (ionisatie) => resonantie => sterk – delta
G
3) Thio-esters vs. Zuurstofesters
- Ondergaan veel minder resonantiestabilisatie dan zuurstofesters
- Thio-esters hogere vrije energie-inhoud (energierijker) dan zuurstofesters
(orbitaaloverlap tussen O en C atomen => resonantiestabilisatie in
zuurstofester, bij S veel minder stabilisatie)
- Progressief minder elektronendelokalisering: N > O > S => thio esters niet zo
stabiel => delta G voor thio-esters veel groter dan voor zuurstofesters
- Hydrolyse zorgt voor een carboxylzuur bij beiden => ioniseert => resonantie
Overzicht:
Twee groepen van fosfaatverbindingen in levende organismen:
1) Hoge energieverbindingen: delta G < -25 kJ/mol voor hun hydrolyse
2) Lage energieverbindingen: hebben een delta G die minder negatief is als
hierboven
,Additiviteit delta G van gekoppelde reacties => om het even welke gefoforyleerde
verbinding kan worden gemaakt: synthese kan je koppelen aan de afbraak van een
ander gefosforyleerde verbinding met een negatievere delta G door hydrolyse
We kunnen dus de gefosforyleerde verbindingen indelen volgens
fosfaattransferpotentiaal (heel hoog: we kunnen met molecule ATP aanmaken)
o Energierijke fosfaten vormen een energiemunt van de cel
Katabole reacties in de afbraak van voeding => gericht op de synthese van hoger
energetische fosfaatverbindingen, dienen om een hogere reeks van verbindingen te
activeren voor verdere chemische omzettingen
Transfer van een P naar een ander molecule => stopt vrije energie in de verbinding
=> meer vrije energie ter beschikking in volgende metabole omzetting
Intermediaire positie van ATP op fosfaattransferpotentiaal => ATP kan energie
overdragen van hoge energieverbindingen gemaakt in katabolisme naar stoffen zoals
glucose die dan worden omgezet naar reactieve verbindingen (energie van ATP
gebruikt in endergone reacties, synthese)
ATP levert energie door groep transfer, niet door eenvoudige hydrolyse
De ATP gedreven reactie wordt gedreven door de hydrolyse van ATP = fout!
Hydrolyse zorgt enkel voor de vrijstelling van warmte en dat kan geen reactie
aandrijven in een isotherm systeem
Het is een twee stap reactie:
1) Deel van de ATP-molecule getransfereerd naar een substraatmolecule of een
AZ in enzym => deel van ATP zo gebonden aan enzym of substraat => vrije
energie-inhoud verhoogt
2) Fosfaat bevattende groep van ATP wordt verplaatst => vrij P, PP of AMP
genererend
ATP neemt covalent deel aan de reactie waaraan ze vrije energie bijdraagt
Sommige processen gebruiken directe hydrolyse van ATP, de non-covalente binding
van ATP gevolgd door hydrolyse tot ADP en P => levert energie zodat eiwitten
alterneren tussen twee conformaties, mechanische beweging zo mogelijk (bv.
Spiercontractie)
Biologische redoxreacties
Flow van elektronen is direct en indirect verantwoordelijk voor alle arbeid die door
levende organismen wordt geleverd
- Niet-fotosynthetische organismen: initiële elektrondonor is een gereduceerde
molecule afkomstig uit voedsel
- Fotosynthetische moleculen: stof die werd geëxciteerd door zonlicht
Elektronen bewegen van metabole intermediairs naar elektroncarriers in enzym
gekatalyseerde reacties => elektronen dan afgegeven aan acceptoren met hoge
elektronaffiniteit => vrijstelling van energie
Cellen hebben verschillende energietransducers die de E van de elektron flow
omzetten naar arbeid
Flow van elektronen kan biologische arbeid verrichten
Mechanisch:
De flow van elektronen wordt gebruikt om arbeid te verrichten bv motor van een
auto => elektronen stromen door emf= elektron motive force= kracht die evenredig
is aan het verschil in elektronaffiniteit
, De kracht kan arbeid verrichten als er een energie transducer is (in dit geval een
motor)
Biologisch:
Een gereduceerde stof dient als bron van elektronen => als de stof wordt geoxideerd
vloeien de elektronen langs een serie van elektroncarrier intermediairs naar een
acceptor
Stroom is exergoon: acceptor hogere affiniteit dan de intermediairs
De resulterende emf voorziet energietransducers van energie => arbeid verrichten
Biologische oxidaties zijn vaak dehydrogeneringen
Als C een elektronenpaar deelt met een ander atoom => verdeling van elektronen is
ongelijk (partiele ladingen) => eenvoudig gezegd: meest elektronegatieve atoom
‘bezit’ de elektronen
Met elk verlies van elektronen heeft een C een oxidatie ondergaan => verlies van
elektronen valt dus samen met het verlies van H => oxidatie= dehydrogenering
Veel enzymen die oxidatie reacties uitvoeren zijn dehydrogenasen
Cellulaire oxidatie van glucose tot CO2 vereist gespecialiseerde elektroncarriers
In metabole reacties gebeuren elektrontransfers
Oxidatie van glucose (sterk – delta G) => levert E voor de productie van ATP, er is
wel een grotere energievrijstelling dan wat nodig is voor de synthese van ATP
Cellen zetten glucose niet direct om naar CO2 in één energie vrijstellende stap
(stapsgewijs omdat je geen plotse warmteontwikkeling wil in de cel), er is een reeks
van gecontroleerde reacties (sommige zijn oxidaties) => vrije energie van de
oxidaties zelfde als energie nodig voor synthese van ATP, met een klein
energieoverschot
Elektronen die bij de oxidatie worden verwijderd, worden getransfereerd naar co-
enzymen (carrier moleculen) die elektronen vervoeren (bv. NAD+ en FAD)
Aantal co-enzymen en eiwitten fungeren als universele elektroncarrier
Enzymen die oxidaties katalyseren leiden elektronen van verschillende substraten
naar een aantal universele elektroncarriers => reductie carriers in katabole
processen => bewaring van de vrije energie die werd vrijgesteld bij substraatoxidatie
NAD+, NADP+, FMN en FAD= wateroplosbare co-enzymen die reversibele oxidatie en
reductie ondergaan in vele elektrontransfer reacties in metabolisme
Nucleotiden: NAD+ en NADP+ => kunnen vrij bewegen van het ene naar het
andere enzym
Flavinenucleotiden: FMN en FAD => zijn zeer sterk gebonden aan de
enzymen (flavo eiwitten) waardoor ze als prosthetische groepen functioneren
Vetoplosbare quinonen: werken als elektroncarriers en proton donoren in
membranen
Ijzer-zwaveleiwitten en cytochromen: bevatten stevig gebonden
prosthetische groepen die reversibele oxidatie en reductie ondergaan =>
elektroncarriers in veel redoxreacties
NADH en NADPH werken met dehydrogenasen als oplosbare elektroncarriers
Nicotinamideadeninedinucleotide (NAD+ in geoxideerde vorm) en zijn nauwe verwant
(NADP+) Nicotinamideadeninedinucleotidefosfaat => twee nucleotiden die via hun
fosfaten verbonden zijn via fosfoanhydridebinding
Stoffen ook wel pyridinenucleotiden genoemd (gelijkenis)
fosforylgroeptransfers en ATP
ATP is de energiemunt van de cel die anabolisme en katabolisme met elkaar verbindt
heterotrofe cellen: krijgen vrije energie in chemische vorm uit katabolisme van
voedingsmoleculen => gebruiken het om uit ADP en P ATP te maken => ATP geeft
energie aan endergone processen
Er is een covalente deelname van ATP aan de reactie die moet worden aangedreven,
met als resultaat dat ATP wordt gehydrolyseerd
ATP vormt de link tussen energieproductie en energieverbruik
o Vorming en consumptie van ATP
Verschillende energieomzettingen mogelijk in planten en dieren
- Planten gebruiken energie van het zonlicht om kleurstofmoleculen te exciteren
=> er worden energierijke elektronen gemaakt => gebruikt voor de aanmaak
van gereduceerde cofactoren zoals NAD(P)H via fotosynthetische
elektrontransfer
Cofactoren kunnen verder worden gebruikt voor de biosynthese van
organische moleculen door planten die dan door dieren kunnen worden
opgegeten + organische moleculen kunnen worden gebruikt voor de aanmaak
van NADH bij katabole reacties
- Elektronen van NADH => voor creatie van ionengradiënten door de
elektrontransportketen in de mitochondriën
- Protonengradiënt mitochondriën => gebruikt door ATP-synthase voor de
aanmaak van ATP
- Bacterie: energie van zon opgevangen door kleurstofmoleculen => creatie
van een protonenpomp via de bacteriorodopsine-H+-pomp (BR is een foton
gedreven ion pomp) => ATP-synthas gebruikt het voor de aanmaak van ATP
- Oxidatie reacties waarin cofactoren worden gereduceerd => ATP maken =
substraat niveau fosforylatie
- Potentiële energie in proton gradiënten => omzetten naar warmte in bruin vet
- ATP en gereduceerde cofactoren gebruikt in metabole paden => ATP voor de
synthese van macromoleculen en NADH voor synthese van kleine moleculen
Beiden kunnen worden gebruikt voor bioluminescentie: chemische E omzetten
naar licht
- Chemische energie van ATP omzetten naar mechanische energie
- Chemische energie van ATP voor ATP gedreven pompen (actief transport)
- Ionengradiënten voor aandrijven van gradiënt gedreven porters of voor
aandrijven flagellen
De delta G voor hydrolyse van ATP is groot en negatief
Energierijk= molecule heeft hoge energie bindingen, bindingen waarvan de delta G
van de hydrolyse sterk negatief is
Hydrolytische splitsing van de terminale fosfoanhydridebinding in ATP => één
van de drie – geladen fosfaten verwijdert => vermindert de elektrostatische
afstoting in ATP
Vrijgelaten P gestabiliseerd door verschillende resonantievormen, er wordt een
resonantiehybride gevormd (lagere delta G dan oospronkelijke)
ADP2- die wordt geproduceerd door hydrolyse ioniseert door ADP3- => H+
wordt vrijgesteld
Concentratie van de hydrolyse producten van ATP ver onder de
evenwichtsconcentratie gehouden => massawerking geeft de hydrolyse
reactie nog een extra duw
, Producten P en ADP beter gehydrateerd dan ATP => extra stabilisatie van de
reactieproducten, hebben een lagere delta G
De delta G in standaard omstandigheden is -30kj/mol => eigenlijke delta G van ATP
is veel negatiever: cellulaire concentratie van ADP en P zijn veel lager dan 1M van de
standaard condities => delta G van de hydrolyse uiteindelijk -50 tot -65 kj/mol
Andere gefofosryleerde verbindingen en thioesters hebben ook een sterk – delta
G voor de hydrolyse
o Energierijke verbindingen en hun structurele verklaring
1) Gefosforyleerde verbindingen
PEP= fosfo-enolpyruvaat: het is een intermediair uit de glycolyse
Bevat een fosfaatester binding die gehydrolyseerd kan worden => enol vorm
van pyruvaat, tautomeriseert onmiddellijk tot de stabiele keton vorm, reagens
heeft één vorm en product twee vormen is het product gestabiliseerd en
daardoor heb je een sterk – delta G (reactie voor de synthese van ATP)
1,3-bisfosfoglyceraat: intermediair van de glycolyse
Bevat een anhydridebinding tussen de carboxylgroep op C1 en de
fosfaatgroep, de hydrolyse heeft een sterk – delta G: als water wordt
toegevoegd aan de anhydridebinding => één van de reactieproducten (3-
fosfoglycerinezuur) zal een proton verliezen waardoor je 3-fosfoglyceraat krijgt
=> heeft twee mogelijke resonantievormen (sterke – delta G => reactie voor
de synthese van ATP)
Fosfocreatine: molecule dat we in de spieren opslaan als bron om snel ATP te
maken als we aan spiercontractie doen
Fosfaat gebonden via een P-N binding, kan gehydrolyseerd worden => vrij
creatine en P => vrijstelling P en de resonantiestabilisatie bevorderen een –
delta G
2) Thio-esther verbindingen
S vervangt O in de esterbinding, hebben een sterk – delta G
Acetyl CoA: belangrijk intermediair voor het metabolisme, acylgroep gebruikt
voor trans acylatie en condensatie en redoxreacties
Hydrolyse en afgifte van een proton (ionisatie) => resonantie => sterk – delta
G
3) Thio-esters vs. Zuurstofesters
- Ondergaan veel minder resonantiestabilisatie dan zuurstofesters
- Thio-esters hogere vrije energie-inhoud (energierijker) dan zuurstofesters
(orbitaaloverlap tussen O en C atomen => resonantiestabilisatie in
zuurstofester, bij S veel minder stabilisatie)
- Progressief minder elektronendelokalisering: N > O > S => thio esters niet zo
stabiel => delta G voor thio-esters veel groter dan voor zuurstofesters
- Hydrolyse zorgt voor een carboxylzuur bij beiden => ioniseert => resonantie
Overzicht:
Twee groepen van fosfaatverbindingen in levende organismen:
1) Hoge energieverbindingen: delta G < -25 kJ/mol voor hun hydrolyse
2) Lage energieverbindingen: hebben een delta G die minder negatief is als
hierboven
,Additiviteit delta G van gekoppelde reacties => om het even welke gefoforyleerde
verbinding kan worden gemaakt: synthese kan je koppelen aan de afbraak van een
ander gefosforyleerde verbinding met een negatievere delta G door hydrolyse
We kunnen dus de gefosforyleerde verbindingen indelen volgens
fosfaattransferpotentiaal (heel hoog: we kunnen met molecule ATP aanmaken)
o Energierijke fosfaten vormen een energiemunt van de cel
Katabole reacties in de afbraak van voeding => gericht op de synthese van hoger
energetische fosfaatverbindingen, dienen om een hogere reeks van verbindingen te
activeren voor verdere chemische omzettingen
Transfer van een P naar een ander molecule => stopt vrije energie in de verbinding
=> meer vrije energie ter beschikking in volgende metabole omzetting
Intermediaire positie van ATP op fosfaattransferpotentiaal => ATP kan energie
overdragen van hoge energieverbindingen gemaakt in katabolisme naar stoffen zoals
glucose die dan worden omgezet naar reactieve verbindingen (energie van ATP
gebruikt in endergone reacties, synthese)
ATP levert energie door groep transfer, niet door eenvoudige hydrolyse
De ATP gedreven reactie wordt gedreven door de hydrolyse van ATP = fout!
Hydrolyse zorgt enkel voor de vrijstelling van warmte en dat kan geen reactie
aandrijven in een isotherm systeem
Het is een twee stap reactie:
1) Deel van de ATP-molecule getransfereerd naar een substraatmolecule of een
AZ in enzym => deel van ATP zo gebonden aan enzym of substraat => vrije
energie-inhoud verhoogt
2) Fosfaat bevattende groep van ATP wordt verplaatst => vrij P, PP of AMP
genererend
ATP neemt covalent deel aan de reactie waaraan ze vrije energie bijdraagt
Sommige processen gebruiken directe hydrolyse van ATP, de non-covalente binding
van ATP gevolgd door hydrolyse tot ADP en P => levert energie zodat eiwitten
alterneren tussen twee conformaties, mechanische beweging zo mogelijk (bv.
Spiercontractie)
Biologische redoxreacties
Flow van elektronen is direct en indirect verantwoordelijk voor alle arbeid die door
levende organismen wordt geleverd
- Niet-fotosynthetische organismen: initiële elektrondonor is een gereduceerde
molecule afkomstig uit voedsel
- Fotosynthetische moleculen: stof die werd geëxciteerd door zonlicht
Elektronen bewegen van metabole intermediairs naar elektroncarriers in enzym
gekatalyseerde reacties => elektronen dan afgegeven aan acceptoren met hoge
elektronaffiniteit => vrijstelling van energie
Cellen hebben verschillende energietransducers die de E van de elektron flow
omzetten naar arbeid
Flow van elektronen kan biologische arbeid verrichten
Mechanisch:
De flow van elektronen wordt gebruikt om arbeid te verrichten bv motor van een
auto => elektronen stromen door emf= elektron motive force= kracht die evenredig
is aan het verschil in elektronaffiniteit
, De kracht kan arbeid verrichten als er een energie transducer is (in dit geval een
motor)
Biologisch:
Een gereduceerde stof dient als bron van elektronen => als de stof wordt geoxideerd
vloeien de elektronen langs een serie van elektroncarrier intermediairs naar een
acceptor
Stroom is exergoon: acceptor hogere affiniteit dan de intermediairs
De resulterende emf voorziet energietransducers van energie => arbeid verrichten
Biologische oxidaties zijn vaak dehydrogeneringen
Als C een elektronenpaar deelt met een ander atoom => verdeling van elektronen is
ongelijk (partiele ladingen) => eenvoudig gezegd: meest elektronegatieve atoom
‘bezit’ de elektronen
Met elk verlies van elektronen heeft een C een oxidatie ondergaan => verlies van
elektronen valt dus samen met het verlies van H => oxidatie= dehydrogenering
Veel enzymen die oxidatie reacties uitvoeren zijn dehydrogenasen
Cellulaire oxidatie van glucose tot CO2 vereist gespecialiseerde elektroncarriers
In metabole reacties gebeuren elektrontransfers
Oxidatie van glucose (sterk – delta G) => levert E voor de productie van ATP, er is
wel een grotere energievrijstelling dan wat nodig is voor de synthese van ATP
Cellen zetten glucose niet direct om naar CO2 in één energie vrijstellende stap
(stapsgewijs omdat je geen plotse warmteontwikkeling wil in de cel), er is een reeks
van gecontroleerde reacties (sommige zijn oxidaties) => vrije energie van de
oxidaties zelfde als energie nodig voor synthese van ATP, met een klein
energieoverschot
Elektronen die bij de oxidatie worden verwijderd, worden getransfereerd naar co-
enzymen (carrier moleculen) die elektronen vervoeren (bv. NAD+ en FAD)
Aantal co-enzymen en eiwitten fungeren als universele elektroncarrier
Enzymen die oxidaties katalyseren leiden elektronen van verschillende substraten
naar een aantal universele elektroncarriers => reductie carriers in katabole
processen => bewaring van de vrije energie die werd vrijgesteld bij substraatoxidatie
NAD+, NADP+, FMN en FAD= wateroplosbare co-enzymen die reversibele oxidatie en
reductie ondergaan in vele elektrontransfer reacties in metabolisme
Nucleotiden: NAD+ en NADP+ => kunnen vrij bewegen van het ene naar het
andere enzym
Flavinenucleotiden: FMN en FAD => zijn zeer sterk gebonden aan de
enzymen (flavo eiwitten) waardoor ze als prosthetische groepen functioneren
Vetoplosbare quinonen: werken als elektroncarriers en proton donoren in
membranen
Ijzer-zwaveleiwitten en cytochromen: bevatten stevig gebonden
prosthetische groepen die reversibele oxidatie en reductie ondergaan =>
elektroncarriers in veel redoxreacties
NADH en NADPH werken met dehydrogenasen als oplosbare elektroncarriers
Nicotinamideadeninedinucleotide (NAD+ in geoxideerde vorm) en zijn nauwe verwant
(NADP+) Nicotinamideadeninedinucleotidefosfaat => twee nucleotiden die via hun
fosfaten verbonden zijn via fosfoanhydridebinding
Stoffen ook wel pyridinenucleotiden genoemd (gelijkenis)
