Samenvatting: metabolisme
en metabole regeling
HOOFDSTUK 1: BIO-ENERGETICA
1.1 De energetische logica van het leven
LEVENDE O R G A N I S M E N Z I J N O P E N S YS T E M E N DI E E N E R GI E
E N M A T E R I E UI T H U N O M G E V I N G T R A N S F O R M E R E N
Een geïsoleerd systeem: wisselt noch energie, noch materie uit met de omgeving
Een open systeem: wisselt zowel energie als materie uit
Een gesloten systeem: wisselt wel energie, maar geen materie uit met de omgeving
Levende organisme gebruiken strategieën om energie uit de omgeving te halen:
Ze nemen chemische brandstoffen op en extraheren energie door te oxideren
Ze absorberen energie uit zonlicht
Cellen zijn zeer effectieve omzetters van energie
Tijdens metabole energieomzettingen stijgt de wanorde van het systeem en zijn omgeving terwijl de
potentiele energie van de complexe voedingsmoleculen daalt.
FOTOSYNTHESE E N R E S PI R A T I E
Fotosynthese: lichtenergie capteren en gebruiken om elektronen van water door te geven aan CO2,
met vorming van energierijke producten zoals zetmeel en sucrose en vrijstelling van O2 in de
atmosfeer.
Respiratie: oxideren van energierijke fotosyntheseproducten en elektronen doorgeven aan O 2 om zo
water en CO2 en andere producten te vormen. Bijna alle energieomzettingen kunnen worden
teruggebracht tot deze flow van elektronen.
DE F L OW V A N E L E K T R O N E N V O O R Z I E T I N DE E N E R G I E V A N
ORGANISMEN
Hydrogeneringsreactie (reductie en winnen elektronen): A + e- + H+ AH
Dehydrogeneringsreactie (oxidatie en verliezen elektronen)
E N E R GE T I S C H E KOPPELING VERBINDT REACTIES MET
E LK A A R
Centrale thema bio-energetica: hoe energie van voedselmoleculen of licht kan worden gekoppeld
aan energiebehoevende (endergone) reacties.
Chemische reacties verlopen in een gesloten systeem totdat evenwicht wordt bereikt.
1
,ENERGIE W O R D T T I J D E L I J K O P G E S L A G E N I N GE A C T I V E E R D E
C A R R I E R S (ATP, NADH)
De energie die wordt vrijgesteld door oxidatie van voedselmoleculen, moet tijdelijk kunnen worden
opgeslagen om ze daarna terug te kunnen aanspreken wanneer nodig. Meestal wordt deze energie
gestockeerd in chemische bindingsenergie in een aantal kleine geactiveerde carriermoleculen (bv.
ATP en NADH/NADHP).
Deze diffunderen snel dwars door de cel naar de plaats waar zij nodig zijn.
Ze stockeren energie ofwel als tranfereerbare groep ofwel als hoge-energie-elektronen.
ENZYMEN B E V O R D E R E N K E TE N S V A N R E A C T I E S
De weg van reagens naar product verloopt meestal via een energiebarrière, de activeringsbarrière,
die genomen moet worden als de reactie wil doorgaan. Activeringsenergie is nodig om deze
energiebarrière te overkomen.
Enzymen zijn biokatalysten en verlagen de energiebarrière tussen reagens en product.
Metabole katalysten zijn eiwitten.
De duizenden enzymgekatalyseerde reacties in een cel zijn functioneel georganiseerd in
opeenvolgende reacties, pathways genaamd, waarin een product van de ene reactie het reagens
wordt van de volgende reactie.
Katabole pathways: degraderen van voedingsstoffen om er energie uit te extraheren die bruikbaar is
voor de cel.
Anabole pathways: starten met kleine bouwstenen die worden omgezet tot progressief grotere of
complexere moleculen, zoals eiwitten of nucleïnezuren.
Samen noem je dit gehele netwerk van door enzym gekatalyseerde pathways metabolisme.
De synthese van een enzymeiwit kan worden aan- of uitgezet naargelang er gestegen of gedaalde
nood bestaat aan het product dat door dit enzym wordt gemaakt. Dit stelt de cel in staat om zichzelf
in een dynamische steady state te houden, ondanks fluctuaties in het uitwendige milieu.
1.2 Thermodynamische basisprincipes van de
bio-energetica
THERMODYNAMISCHE S I T UE R I N G V A N H E T L E V E N
Één eigenschap van levende wezens maakt hen zeer verschillend van de dode materie: cellen creëren
en handhaven orde in een universum van steeds toenemende wanorde. Hiervoor is altijd een
aanhoudende stroom van reacties nodig (=biosynthese). Om deze biosynthese mogelijk te maken,
zijn er niet alleen atomen nodig, maar ook energie. Reacties moeten bevorderd worden door
enzymen.
B I O L O G I S CH E
O R D E E N D E T W E E DE W E T V A N
THERMODYNAMICA
2
,De universele tendens van de materie om steeds wanordelijker te worden, wordt uitgedrukt in de
tweede wet van de thermodynamica:
De wanorde van het universum (of van elke geïsoleerd systeem daarbinnen) kan alleen maar
toenemen.
OF
Systemen zullen spontaan veranderen naar die schikkingen die het waarschijnlijkst zijn.
OF
Systemen zullen spontaan evolueren naar die schikkingen met de grootste entropie.
De hoeveelheid wanorde in een systeem kan worden gekwantificeerd, en de grootheid hiervoor
noem je entropie. Hoe groter de wanorde, hoe groter de entropie.
B I O L O G I S CH E
E N E R GI E O M Z E T T I N G E N E N D E E E R S T E W E T
V A N DE T H E R M O D Y N A M I C A
ste
1 wet van de thermodynamica: energie kan enkel van de ene naar de andere vorm worden
omgezet, maar energie kan niet worden geschapen of vernietigd.
Wanneer je het dus hebt over ‘energieproductie in de cel’ of ‘energieproductie in de mitochondriën’,
dan gaat het in wezen over energieomzettingen, en niet om energieproductie.
GIBBS V RI J E E N E R GI E
Om het gedrag van zulke systemen te beschrijven, hebben we dus een toestandsfunctie nodig die
zowel energie als entropie omvat. De Gibbs vrije energie G is zo’n functie.
Deze functie bevat een enthalpieterm H (die meet de energieverandering bij constante druk) en een
entropieterm S, die de graad van wanordevorming belichaamt.
De vrije energie G wordt gedefinieerd als: G = H – TS (waarbij T de absolute temperatuur is)
H of enthalpie is de warmte-inhoud van een stof; die reflecteert de aard en het aantal van de
bindingen. Is H hoog, dan betekent dit dat je veel warmte moet toevoegen om de bindingen te
breken, of met andere woorden dat de bindingen energierijk zijn. S is de wanorde die in een systeem
aanwezig is.
Voor een verandering in vrije energie ΔG in een systeem bij constante temperatuur en druk kunnen
we schrijven: ΔG = ΔH – TΔS
Vrije energie is die energie die beschikbaar is voor het verrichten van arbeid.
Reacties in de cel kunnen op twee manieren wanorde veroorzaken.
Veranderingen in de bindingsenergie van de reagerende moleculen kunnen ervoor zorgen
dat er warmte wordt vrijgesteld, die de wanorde in de omgeving doet toenemen (figuur
1.19).
De reactie kan de orde in de reagerende moleculen doen afnemen, bijvoorbeeld door een
lange keten af te breken of door een interactie te verbreken die bindingsrotaties hinderde
(figuur 1.20).
3
, Energetisch gunstige reacties (spontane reacties) zijn deze reacties waarbij er een daling is in de vrije
energie, dus een daling in de energie die beschikbaar is voor het verrichten van arbeid.
D E ΔG 0
S T A A T I N R E CH T S T R E E K S V E R B A N D M E T D E
EVENWICHTSCONSTANTE VAN EEN REACTIE
Een reactie A ↔ B zal in de richting A B verlopen wanneer de omzetting van A naar B
geassocieerd is met een negatieve ΔG. Maar... ΔG hangt niet alleen af van de energie die gestockeerd
zit in elke individuele molecule. ΔG is een weerspiegeling van de graad waarmee een reactie een
wanordelijker – met andere woorden een waarschijnlijker – toestand schept van het universum. Bij
een reactie A ↔ B een overmaat aan A de reactie in de richting A B drijven. Dus de ΔG wordt
negatiever als de ratio van A/B stijgt.
[B] /
ΔG = ΔG0 +0,616ln [A] ΔG = ΔG0 als A = B
ΔG = 0 bij evenwicht,
en dus zijn de concentraties van A en B dan zo dat: −0,616ln[ B]/ [A] = ΔG0
Dit betekent dat er chemisch evenwicht is op 37 °C wanneer: [ B]/ [A] = e−ΔG /0,616
De grootte van ΔG zal dus variëren naargelang de omstandigheden (figuur 1.25).
ΔG’ S ZIJN ADDITIEF
De uiteindelijke vrije-energieverandering voor een metabole pathway is dan gewoon de som van de
vrije-energieveranderingen van de stappen waaruit de pathway bestaat.
Een zeer groot aantal energetisch ongunstige reacties wordt mogelijk gemaakt doordat ze
gekoppeld worden aan de energetisch gunstige hydrolysereactie van ATP.
Cellen hebben bronnen van vrije energie nodig
Hoge-energiebinding: een binding waarvoor de ΔG0 voor hydrolyse sterk negatief is. De hydrolyse is
energetisch zeer gunstig en kan worden gebruikt om chemische arbeid te leveren.
1.3 Fosforylgroeptransfers en ATP
VORMING EN CONSUMPTIE VAN ATP
1. Planten gebruiken de energie van zonlicht om kleurstofmoleculen te laten exciteren. De
energierijke elektronen die op deze wijze worden gecreëerd, kunnen worden gebruikt voor
aanmaak van gereduceerde cofactoren NAD(P)H via fotosynthetische elektrontransfer.
2. De elektronen gedragen door NADH worden gebruikt voor creatie van iongradiënten door
elektrontransportketen in de mitochondriën.
3. De protonengradiënt in de mitochondriën kan worden gebruikt door de ATP-synthase
(synthase is een enzym dat een syntheseproces katalyseert) voor de aanmaak van ATP.
4
en metabole regeling
HOOFDSTUK 1: BIO-ENERGETICA
1.1 De energetische logica van het leven
LEVENDE O R G A N I S M E N Z I J N O P E N S YS T E M E N DI E E N E R GI E
E N M A T E R I E UI T H U N O M G E V I N G T R A N S F O R M E R E N
Een geïsoleerd systeem: wisselt noch energie, noch materie uit met de omgeving
Een open systeem: wisselt zowel energie als materie uit
Een gesloten systeem: wisselt wel energie, maar geen materie uit met de omgeving
Levende organisme gebruiken strategieën om energie uit de omgeving te halen:
Ze nemen chemische brandstoffen op en extraheren energie door te oxideren
Ze absorberen energie uit zonlicht
Cellen zijn zeer effectieve omzetters van energie
Tijdens metabole energieomzettingen stijgt de wanorde van het systeem en zijn omgeving terwijl de
potentiele energie van de complexe voedingsmoleculen daalt.
FOTOSYNTHESE E N R E S PI R A T I E
Fotosynthese: lichtenergie capteren en gebruiken om elektronen van water door te geven aan CO2,
met vorming van energierijke producten zoals zetmeel en sucrose en vrijstelling van O2 in de
atmosfeer.
Respiratie: oxideren van energierijke fotosyntheseproducten en elektronen doorgeven aan O 2 om zo
water en CO2 en andere producten te vormen. Bijna alle energieomzettingen kunnen worden
teruggebracht tot deze flow van elektronen.
DE F L OW V A N E L E K T R O N E N V O O R Z I E T I N DE E N E R G I E V A N
ORGANISMEN
Hydrogeneringsreactie (reductie en winnen elektronen): A + e- + H+ AH
Dehydrogeneringsreactie (oxidatie en verliezen elektronen)
E N E R GE T I S C H E KOPPELING VERBINDT REACTIES MET
E LK A A R
Centrale thema bio-energetica: hoe energie van voedselmoleculen of licht kan worden gekoppeld
aan energiebehoevende (endergone) reacties.
Chemische reacties verlopen in een gesloten systeem totdat evenwicht wordt bereikt.
1
,ENERGIE W O R D T T I J D E L I J K O P G E S L A G E N I N GE A C T I V E E R D E
C A R R I E R S (ATP, NADH)
De energie die wordt vrijgesteld door oxidatie van voedselmoleculen, moet tijdelijk kunnen worden
opgeslagen om ze daarna terug te kunnen aanspreken wanneer nodig. Meestal wordt deze energie
gestockeerd in chemische bindingsenergie in een aantal kleine geactiveerde carriermoleculen (bv.
ATP en NADH/NADHP).
Deze diffunderen snel dwars door de cel naar de plaats waar zij nodig zijn.
Ze stockeren energie ofwel als tranfereerbare groep ofwel als hoge-energie-elektronen.
ENZYMEN B E V O R D E R E N K E TE N S V A N R E A C T I E S
De weg van reagens naar product verloopt meestal via een energiebarrière, de activeringsbarrière,
die genomen moet worden als de reactie wil doorgaan. Activeringsenergie is nodig om deze
energiebarrière te overkomen.
Enzymen zijn biokatalysten en verlagen de energiebarrière tussen reagens en product.
Metabole katalysten zijn eiwitten.
De duizenden enzymgekatalyseerde reacties in een cel zijn functioneel georganiseerd in
opeenvolgende reacties, pathways genaamd, waarin een product van de ene reactie het reagens
wordt van de volgende reactie.
Katabole pathways: degraderen van voedingsstoffen om er energie uit te extraheren die bruikbaar is
voor de cel.
Anabole pathways: starten met kleine bouwstenen die worden omgezet tot progressief grotere of
complexere moleculen, zoals eiwitten of nucleïnezuren.
Samen noem je dit gehele netwerk van door enzym gekatalyseerde pathways metabolisme.
De synthese van een enzymeiwit kan worden aan- of uitgezet naargelang er gestegen of gedaalde
nood bestaat aan het product dat door dit enzym wordt gemaakt. Dit stelt de cel in staat om zichzelf
in een dynamische steady state te houden, ondanks fluctuaties in het uitwendige milieu.
1.2 Thermodynamische basisprincipes van de
bio-energetica
THERMODYNAMISCHE S I T UE R I N G V A N H E T L E V E N
Één eigenschap van levende wezens maakt hen zeer verschillend van de dode materie: cellen creëren
en handhaven orde in een universum van steeds toenemende wanorde. Hiervoor is altijd een
aanhoudende stroom van reacties nodig (=biosynthese). Om deze biosynthese mogelijk te maken,
zijn er niet alleen atomen nodig, maar ook energie. Reacties moeten bevorderd worden door
enzymen.
B I O L O G I S CH E
O R D E E N D E T W E E DE W E T V A N
THERMODYNAMICA
2
,De universele tendens van de materie om steeds wanordelijker te worden, wordt uitgedrukt in de
tweede wet van de thermodynamica:
De wanorde van het universum (of van elke geïsoleerd systeem daarbinnen) kan alleen maar
toenemen.
OF
Systemen zullen spontaan veranderen naar die schikkingen die het waarschijnlijkst zijn.
OF
Systemen zullen spontaan evolueren naar die schikkingen met de grootste entropie.
De hoeveelheid wanorde in een systeem kan worden gekwantificeerd, en de grootheid hiervoor
noem je entropie. Hoe groter de wanorde, hoe groter de entropie.
B I O L O G I S CH E
E N E R GI E O M Z E T T I N G E N E N D E E E R S T E W E T
V A N DE T H E R M O D Y N A M I C A
ste
1 wet van de thermodynamica: energie kan enkel van de ene naar de andere vorm worden
omgezet, maar energie kan niet worden geschapen of vernietigd.
Wanneer je het dus hebt over ‘energieproductie in de cel’ of ‘energieproductie in de mitochondriën’,
dan gaat het in wezen over energieomzettingen, en niet om energieproductie.
GIBBS V RI J E E N E R GI E
Om het gedrag van zulke systemen te beschrijven, hebben we dus een toestandsfunctie nodig die
zowel energie als entropie omvat. De Gibbs vrije energie G is zo’n functie.
Deze functie bevat een enthalpieterm H (die meet de energieverandering bij constante druk) en een
entropieterm S, die de graad van wanordevorming belichaamt.
De vrije energie G wordt gedefinieerd als: G = H – TS (waarbij T de absolute temperatuur is)
H of enthalpie is de warmte-inhoud van een stof; die reflecteert de aard en het aantal van de
bindingen. Is H hoog, dan betekent dit dat je veel warmte moet toevoegen om de bindingen te
breken, of met andere woorden dat de bindingen energierijk zijn. S is de wanorde die in een systeem
aanwezig is.
Voor een verandering in vrije energie ΔG in een systeem bij constante temperatuur en druk kunnen
we schrijven: ΔG = ΔH – TΔS
Vrije energie is die energie die beschikbaar is voor het verrichten van arbeid.
Reacties in de cel kunnen op twee manieren wanorde veroorzaken.
Veranderingen in de bindingsenergie van de reagerende moleculen kunnen ervoor zorgen
dat er warmte wordt vrijgesteld, die de wanorde in de omgeving doet toenemen (figuur
1.19).
De reactie kan de orde in de reagerende moleculen doen afnemen, bijvoorbeeld door een
lange keten af te breken of door een interactie te verbreken die bindingsrotaties hinderde
(figuur 1.20).
3
, Energetisch gunstige reacties (spontane reacties) zijn deze reacties waarbij er een daling is in de vrije
energie, dus een daling in de energie die beschikbaar is voor het verrichten van arbeid.
D E ΔG 0
S T A A T I N R E CH T S T R E E K S V E R B A N D M E T D E
EVENWICHTSCONSTANTE VAN EEN REACTIE
Een reactie A ↔ B zal in de richting A B verlopen wanneer de omzetting van A naar B
geassocieerd is met een negatieve ΔG. Maar... ΔG hangt niet alleen af van de energie die gestockeerd
zit in elke individuele molecule. ΔG is een weerspiegeling van de graad waarmee een reactie een
wanordelijker – met andere woorden een waarschijnlijker – toestand schept van het universum. Bij
een reactie A ↔ B een overmaat aan A de reactie in de richting A B drijven. Dus de ΔG wordt
negatiever als de ratio van A/B stijgt.
[B] /
ΔG = ΔG0 +0,616ln [A] ΔG = ΔG0 als A = B
ΔG = 0 bij evenwicht,
en dus zijn de concentraties van A en B dan zo dat: −0,616ln[ B]/ [A] = ΔG0
Dit betekent dat er chemisch evenwicht is op 37 °C wanneer: [ B]/ [A] = e−ΔG /0,616
De grootte van ΔG zal dus variëren naargelang de omstandigheden (figuur 1.25).
ΔG’ S ZIJN ADDITIEF
De uiteindelijke vrije-energieverandering voor een metabole pathway is dan gewoon de som van de
vrije-energieveranderingen van de stappen waaruit de pathway bestaat.
Een zeer groot aantal energetisch ongunstige reacties wordt mogelijk gemaakt doordat ze
gekoppeld worden aan de energetisch gunstige hydrolysereactie van ATP.
Cellen hebben bronnen van vrije energie nodig
Hoge-energiebinding: een binding waarvoor de ΔG0 voor hydrolyse sterk negatief is. De hydrolyse is
energetisch zeer gunstig en kan worden gebruikt om chemische arbeid te leveren.
1.3 Fosforylgroeptransfers en ATP
VORMING EN CONSUMPTIE VAN ATP
1. Planten gebruiken de energie van zonlicht om kleurstofmoleculen te laten exciteren. De
energierijke elektronen die op deze wijze worden gecreëerd, kunnen worden gebruikt voor
aanmaak van gereduceerde cofactoren NAD(P)H via fotosynthetische elektrontransfer.
2. De elektronen gedragen door NADH worden gebruikt voor creatie van iongradiënten door
elektrontransportketen in de mitochondriën.
3. De protonengradiënt in de mitochondriën kan worden gebruikt door de ATP-synthase
(synthase is een enzym dat een syntheseproces katalyseert) voor de aanmaak van ATP.
4
