HOOFDSTUK 1: DEFINITIE VAN METABOLISME
1 Inleiding
Metabolisme = stofwisseling = alle chemische reacties die het leven nodig heeft om zichzelf in stand
te houden, te groeien, zich als soort te verdedigen en nakomelingen voort te brengen
• Anabolisme = energie-vragend, opbouw
• Katabolisme = energie-verwervend, afbraak
→ Deze worden voorgesteld als metabole paden/wegen: chemische reacties van begin naar
eindpunt, gekatalyseerd door enzymen
3 centrale doelstellingen van metabolisme:
1. Energie in voedingsstoffen vrijmaken voor levensfuncties
2. Het vergaren van alle nuttige bouwstenen (eigen aanmaak of via de voeding) met de
bedoeling uitgeputte moleculen te vervangen door nieuwe, of om netto nieuwe moleculen
bij te creëren voor de groei.
3. Overschot aan energie stockeren in tijde van schaarste
Biomoleculen betrokken bij metabolisme:
• Koolhydraten of suikers: bieden energie en structuur
• Lipiden of vetten: energie en biologische membranen
• Proteïnen of eiwitten: aminozuur-polymeren, functionele biomoleculen
• Nucleïnezuren en nucleotiden: informatiedragende moleculen
→ verdere classificatie van koolhydraten
monosacchariden glucose, fructose, galactose
simpel
disacchariden maltose, lactose, sucrose
koolhydraten
starchers (zetmeel uit planten vb. amylose)
complex polysacchariden fibres (vertakte polysacchariden uit planten)
glycogeen (dierlijke opslag van suikers)
, Energieverbruik door 3 uitgangsposten:
1. Energie voor basaal metabolisme: onderhoud van delevensfuncties.
→ 60% van de totale energie-uitgaveen
→ door 4 vitale organen: hart, hersenen, lever en nieren.
→ energie wordt gespendeerd op niveau van organen (pompfunctie van het hart) en op
niveau van cellen (resorptie en excretie van nieren)
2. Energie voor spijsverteringsapparaat: voedsel verteren, op te nemen en te
verwerken
3. Energie voor skeletspieren: spieren aan te drijven wanneer deze arbeid of sport
verrichten
Verbranding van glucose in een spiercel (mitochondriën) vs. in een kachel:
In spiercel (mitochondriën) In een kachel
• Meerstapsreactie gekatalyseerd door enzymen • Een éénstapsreactie
• Exergonisch (spontaan → lagere E) • Chemisch hetzelfde
• Lagere activeringsenergie (door lagere T en • 1 grote activeringsenergie
enzymen)
• Vrijgekomen energie opgeslagen in • Vrijgekomen energie onder de vorm
energiedragers: NADH en FADH2 van warmte
→ zorgen voor synthese van ATP
NADH = Nicotinamide adenine dinucleotide
FADH2 = flavine-adenine dinucleotide
ATP = adenosinetrifosfaat
Energie-vrijstelling uit C1-verbindingen:
Hoe meer gereduceerd voor de verbranding, hoe meer energie bij de verbranding tot CO2 uit te halen valt
Groot deel van genoom is betrokken bij metabolisme:
• Geel: genen betrokken bij metabolisme (4000 genen)
• Paars: genen betrokken bij transcriptie
,2 Metabole paden en flux
Metabole flux = de hoeveelheid moleculen van een bepaalde metaboliet die per tijdseenheid
per celhoeveelheid langs een bepaald punt van het metabole pad passeert Vb. mol/kg cellen/h
Metabole wegen = verloop, kruispunten, regelaars
Typisch voor een metabole weg:
• De fluxbepalende stappen veelal in het begin van het metabole traject liggen (voor enzym
1: rode pijl = onomkeerbare reactie)
• Op die manier worden ‘moleculaire files’ langsheen het metabole traject vermeden
➔ Fluxomics als studieveld in opmars
• Fluxgenererende enzymen zijn doorgaans fysiologisch gereguleerd: door
bv. temperatuur, hormonen, voedingstoestand
De flux wordt beïnvloed door: Controle op de flux:
1. Concentratieverschillen Genexpressie van de
tussen substraat en fluxcontrolerende enzymen
reactieproduct
Vb. Pyruvaat kinase, expressie wordt
gestimuleerd als bloed glucose stijgt
2. De beschikbaarheid en de Modificatie van de enzymen op
mate van activiteit van eiwitniveau, dat kan zijn op niveau
enzymen van de vorm (allosterie) of door
aanhechting of onthechting van
functionele groepen
Vb. fosforylatie
3. Diffusie-afstanden en dus Via tijdelijk verstoppen van het
ook de toegankelijkheid enzym of via een verschillende
van enzyme tot substraat compartimentalisatie (zie 1.3)
Vb. Glucokinase verdwijnt uit cytosol
tijdens vasten
, Bijkomende fluxgenererende enzymen = sleutelenzymes = enzymen die het metabole pad kunnen
ombuigen, om een grotere variatie van metabolieten vertrekkende van het eerste enzym te krijgen
(fluxbepalende stap)
• de regeling van enzym 1 is onafh van enzym 7: enzym 1 zal sowieso activeren om
eindproduct G of J te bekomen, terwijl enzym 7 enkel activeert om eindproduct J te
bekomen
• REGEL: fluxcontrole is afgestemd op de
behoefte v/d cel of v/h organisme in zijn
totaliteit
• ALTIJD IRREVERSIBELE REACTIES!!!
2.1 Katabole wegen: een 4-fasenplan voor netto energievrijstelling
Katabole wegen = als einddoel de cellen voorzien van voldoende chemische energie ATP
→ meest benutte brandstoffen: koolhydraten en lipiden
FASE 1 : vertering van macromoleculen tot hun oorspronkelijke bouwstenen via hydrolyse
• Bij eukaryoten gebeurt dit in de holte van het spijsverteringssysteem (extracellulair)
→ Uitzondering: glycogenolyse => in het celcytosol
• Oiv. hydrolasen (vb. amylase)
FASE 2 : omzetting van bouwstenen tot acetyl-Co-enzym A = acetyl-CoA = Ac-CoA
• Glucose wordt via glycolyse afgebroken tot pyruvaat, gevolgd door éénstapsreactie tot
acetyl-CoA
• Een deel van de aminozuren wordt via transaminasen omgezet in -ketozuren, die verder
worden omgezet tot acetyl-CoA
• Vetzuren worden omgezet tot acetyl-CoA, via -oxidatie
FASE 3 : acetyl-CoA wordt in de Krebs-cyclus geoxideerd tot CO2
• Weinig ATP productie, wel levering van energierijke elektronen (reducerend
vermogen van NADH en FADH2)
FASE 4 : reducerend vermogen voor ATP-productie via de oxidatieve fosforylering
• De 4e fase exclusief katabool, want de andere fasen kunnen opnieuw worden ingezet voor
anabole doeleinden
1 Inleiding
Metabolisme = stofwisseling = alle chemische reacties die het leven nodig heeft om zichzelf in stand
te houden, te groeien, zich als soort te verdedigen en nakomelingen voort te brengen
• Anabolisme = energie-vragend, opbouw
• Katabolisme = energie-verwervend, afbraak
→ Deze worden voorgesteld als metabole paden/wegen: chemische reacties van begin naar
eindpunt, gekatalyseerd door enzymen
3 centrale doelstellingen van metabolisme:
1. Energie in voedingsstoffen vrijmaken voor levensfuncties
2. Het vergaren van alle nuttige bouwstenen (eigen aanmaak of via de voeding) met de
bedoeling uitgeputte moleculen te vervangen door nieuwe, of om netto nieuwe moleculen
bij te creëren voor de groei.
3. Overschot aan energie stockeren in tijde van schaarste
Biomoleculen betrokken bij metabolisme:
• Koolhydraten of suikers: bieden energie en structuur
• Lipiden of vetten: energie en biologische membranen
• Proteïnen of eiwitten: aminozuur-polymeren, functionele biomoleculen
• Nucleïnezuren en nucleotiden: informatiedragende moleculen
→ verdere classificatie van koolhydraten
monosacchariden glucose, fructose, galactose
simpel
disacchariden maltose, lactose, sucrose
koolhydraten
starchers (zetmeel uit planten vb. amylose)
complex polysacchariden fibres (vertakte polysacchariden uit planten)
glycogeen (dierlijke opslag van suikers)
, Energieverbruik door 3 uitgangsposten:
1. Energie voor basaal metabolisme: onderhoud van delevensfuncties.
→ 60% van de totale energie-uitgaveen
→ door 4 vitale organen: hart, hersenen, lever en nieren.
→ energie wordt gespendeerd op niveau van organen (pompfunctie van het hart) en op
niveau van cellen (resorptie en excretie van nieren)
2. Energie voor spijsverteringsapparaat: voedsel verteren, op te nemen en te
verwerken
3. Energie voor skeletspieren: spieren aan te drijven wanneer deze arbeid of sport
verrichten
Verbranding van glucose in een spiercel (mitochondriën) vs. in een kachel:
In spiercel (mitochondriën) In een kachel
• Meerstapsreactie gekatalyseerd door enzymen • Een éénstapsreactie
• Exergonisch (spontaan → lagere E) • Chemisch hetzelfde
• Lagere activeringsenergie (door lagere T en • 1 grote activeringsenergie
enzymen)
• Vrijgekomen energie opgeslagen in • Vrijgekomen energie onder de vorm
energiedragers: NADH en FADH2 van warmte
→ zorgen voor synthese van ATP
NADH = Nicotinamide adenine dinucleotide
FADH2 = flavine-adenine dinucleotide
ATP = adenosinetrifosfaat
Energie-vrijstelling uit C1-verbindingen:
Hoe meer gereduceerd voor de verbranding, hoe meer energie bij de verbranding tot CO2 uit te halen valt
Groot deel van genoom is betrokken bij metabolisme:
• Geel: genen betrokken bij metabolisme (4000 genen)
• Paars: genen betrokken bij transcriptie
,2 Metabole paden en flux
Metabole flux = de hoeveelheid moleculen van een bepaalde metaboliet die per tijdseenheid
per celhoeveelheid langs een bepaald punt van het metabole pad passeert Vb. mol/kg cellen/h
Metabole wegen = verloop, kruispunten, regelaars
Typisch voor een metabole weg:
• De fluxbepalende stappen veelal in het begin van het metabole traject liggen (voor enzym
1: rode pijl = onomkeerbare reactie)
• Op die manier worden ‘moleculaire files’ langsheen het metabole traject vermeden
➔ Fluxomics als studieveld in opmars
• Fluxgenererende enzymen zijn doorgaans fysiologisch gereguleerd: door
bv. temperatuur, hormonen, voedingstoestand
De flux wordt beïnvloed door: Controle op de flux:
1. Concentratieverschillen Genexpressie van de
tussen substraat en fluxcontrolerende enzymen
reactieproduct
Vb. Pyruvaat kinase, expressie wordt
gestimuleerd als bloed glucose stijgt
2. De beschikbaarheid en de Modificatie van de enzymen op
mate van activiteit van eiwitniveau, dat kan zijn op niveau
enzymen van de vorm (allosterie) of door
aanhechting of onthechting van
functionele groepen
Vb. fosforylatie
3. Diffusie-afstanden en dus Via tijdelijk verstoppen van het
ook de toegankelijkheid enzym of via een verschillende
van enzyme tot substraat compartimentalisatie (zie 1.3)
Vb. Glucokinase verdwijnt uit cytosol
tijdens vasten
, Bijkomende fluxgenererende enzymen = sleutelenzymes = enzymen die het metabole pad kunnen
ombuigen, om een grotere variatie van metabolieten vertrekkende van het eerste enzym te krijgen
(fluxbepalende stap)
• de regeling van enzym 1 is onafh van enzym 7: enzym 1 zal sowieso activeren om
eindproduct G of J te bekomen, terwijl enzym 7 enkel activeert om eindproduct J te
bekomen
• REGEL: fluxcontrole is afgestemd op de
behoefte v/d cel of v/h organisme in zijn
totaliteit
• ALTIJD IRREVERSIBELE REACTIES!!!
2.1 Katabole wegen: een 4-fasenplan voor netto energievrijstelling
Katabole wegen = als einddoel de cellen voorzien van voldoende chemische energie ATP
→ meest benutte brandstoffen: koolhydraten en lipiden
FASE 1 : vertering van macromoleculen tot hun oorspronkelijke bouwstenen via hydrolyse
• Bij eukaryoten gebeurt dit in de holte van het spijsverteringssysteem (extracellulair)
→ Uitzondering: glycogenolyse => in het celcytosol
• Oiv. hydrolasen (vb. amylase)
FASE 2 : omzetting van bouwstenen tot acetyl-Co-enzym A = acetyl-CoA = Ac-CoA
• Glucose wordt via glycolyse afgebroken tot pyruvaat, gevolgd door éénstapsreactie tot
acetyl-CoA
• Een deel van de aminozuren wordt via transaminasen omgezet in -ketozuren, die verder
worden omgezet tot acetyl-CoA
• Vetzuren worden omgezet tot acetyl-CoA, via -oxidatie
FASE 3 : acetyl-CoA wordt in de Krebs-cyclus geoxideerd tot CO2
• Weinig ATP productie, wel levering van energierijke elektronen (reducerend
vermogen van NADH en FADH2)
FASE 4 : reducerend vermogen voor ATP-productie via de oxidatieve fosforylering
• De 4e fase exclusief katabool, want de andere fasen kunnen opnieuw worden ingezet voor
anabole doeleinden
