Hoofdstuk 1: Bio-energetica
1 De energetische logica van het leven
1.1 Energieproductie en consumptie in het metabolisme
ENERGIE staat centraal in de biochemie : cellen en organismen zijn er afhankelijk van omdat:
- info opslaan en tot expressie brengen
- uitvoeren van biosynthetische reacties
- beweging van de gehele cel of organellen daarbinnen
- onevenwicht met de buitenwereld behouden
Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving:
De concentraties van moleculen en ionen binnen en buiten de cel verschillen → moet ≠
stoffen pompen om deze concentraties op het gewenste peil te houden: KOST ENERGIE.
Ook stoffen waarvan de concentratie constant is worden steeds gesyntiseerd en afgebroken
tegen een continue snelheid → DYNAMISCHE STEADY STATE, om deze te onderhouden is er
ook energie nodig.
Organismen transformeren energie en materie uit hun
omgeving:
≠ soorten systemen:
- Geisoleerd systeem: wisselt geen energie en geen materie uit
- Gesloten systeem: wisselt wel energie maar geen materie uit
- Open systeem: wisselt zowel energie als materie uit
↪ ELK LEVEND ORGANISME IS EEN OPEN SYSTEEM
≠ systemen om energie uit hun omgeving te halen:
- Opname van chemische brandstoffen, extraheren energie door
deze te oxideren.
- Opname van energie uit zonlicht (planten, bacteriën, … )
Cellen zijn zeer effectieve omzetters van energie
↪ tijdens de energieomzettingen: de wanorde ↑ en de Epot ↓ van
complexe voedingsmoleculen
Levende organismen:
a) Extraheren energie uit hun omgeving
b) Converteren een deel vd energie in bruikbare vormen om arbeid
te verrichten
c) Geven een deel energie terug af naar de omgeving als warmte
d) Zorgen voor een stijging vd entropie door eindproduct vrij te
stellen dat minder georganiseerd is dan het oorspronkelijke
e) De dalende wanorde komt voor in de vorm van complexe
macromoleculen
,Alle levende organismen betrekken direct of indirect hun energie uit de stralingsenergie vd zon.
- Fotosynthetische organismen :
Capteren
de
lichtenergie en gebruiken deze om elektronen van water door te geven naar CO2, met vorming van
energierijke producten en vrijstelling van O2 aan de atmosfeer
- Niet-fotosynthetische organismen :
Bekomen energie door het oxideren van energierijke fotosynthese producten, geven hierbij elektronen door
aan O2 om zo water en CO2 te vormen. = RESPIRATIE
ALLE ENERGIEOMZETTINGEN IN DE CEL KUNNEN HERLEID WORDEN TOT DEZE FLOW VAN
ELEKTRONEN.
- Hydrogeneringsreacties (+H) = reductie
- Dehydrogeneringsreacties (-H) = oxidatie
↪ stapsgewijze oxidatie van moleculen laat toe om nuttige hoeveelheden energie te extraheren.
Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar:
Een energie vrijstellende reactie (exergone) kan een energie
vergende (endergone) reactie aandrijven.
↪ chemische reacties gebeuren in gesloten systemen
spontaan totdat evenwicht wordt bereikt.
,Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers:
Energie vrijgesteld door voedselmoleculen moet tijdelijk kunnen worden opgeslagen om dat de kunnen aanspraken
wanneer je ze nodig hebt.
MEESTAL in geactiveerde carriers, energie gestockeerd in bindingsenergie.
↪ carriers zijn klein en kunnen snel diffunderen naar de plaats waar ze nodig zijn.
Carriers stockeren energie als:
- Gemakkelijk transfereerbare groep
- Hoge-energie elektronen
⟹ ze spelen een duale rol: energie + chemische groepen voor
biosynthese reacties
⟹ Belangrijkste geactiveerde carriers zijn: ATP en
NADH/NADPH
Bij oxidatie van brandstofmoleculen zorgen enzymen ervoor
dat een groot deel van de vrije energie gecapteerd wordt in
een chemisch bruikbare vorm ipv verloren te gaan als warmte.
↪ verwezenlijkt door een gekoppelde reactie die de vorming
van een geactiveerde carrier aandrijft.
Enzymen bevorderen ketens van reacties:
De weg van reagens naar product verloopt meestal via een energie barrière =
ACTIVERINGSBARRIERE deze moet overwonnen worden wilt de reactie doorgaan.
Het hoogste punt in het reactie coordinaat diagram is de TRANSITIETOESTAND.
ENZYMEN = biokatalysten die de snelheid van een rectie verhogen zonder zelf
verbruikt te worden
↪ ze zorgen ervoor dat de meeste cellulaire reactie met een meetbare snelheid
kunnen verlopen
↪ ze versnellen de reactie door gebruik te maken van bindingseffecten, door deze
binding ondergaan de reagentia zelf en verandering in moleculaire vorm die meer
aanleunt bij de transitietoestand waardoor de activeringsenergie verlaagd wordt.
Metabole katalysten zijn meestal eiwitten & elk enzym zal 1 specifieke reactie katalyseren
⟹ er zijn dus 1000’en ≠ enzymen nodig die elks een zeer specifieke werking hebben en
geregeld kunnen worden.
⟹ enzymen scheppen orde in de vele mogelijke richtingen waarin moleculen potentieel
kunnen reageren.
⟹ een opeenvolgende werking van enzymen kan een reagens via een welbepaalde
pathway omzetten.
Enzymen vinden hun substraat doordat ze een ACTIEVE SITE bevatten waar het substraat zal binden op een
stereospecifieke manier en de reactie zal worden bevorderd.
1000’en enzym gekatalyseerde reacties in de cel zijn georganiseerd in opeenvolgende reacties nl. PATHWAYS, het
product vd ene reactie = het reagens van de volgende.
- KATABOLE pathways: degraderen voedingstoffen om er energie uit te extraheren in een vorm bruikbaar voor
de cel.
- ANABOLE pathways: starten met kleine bouwstenen die worden omgezet tot progressief grotere of
complexere moleculen.
, Metabolisme wordt geregeld om balans en zuinigheid te bevorderen:
Sleutelenzymen worden zodanig geregeld dat elk type precursor
molecule slecht wordt geproduceerd in die hoeveelheden die
overeenstemmen met de noden van de cel.
De cel regelt ook de synthese van de enzymen zelf via beïnvloeding van de genexpressie
↪ BV de synthese van een enzymeiwit wordt aan of afgezet naargelang er gestegen of gedaalde nood bestaat aan
het product dat door dit enzym wordt gemaakt
↪ laat cellen toe om een dynamische steady state te onderhouden ondanks ≠ in het uitwendige milieu
2 Thermodynamische basisprincipes der bio-energetica
2.1 Waarom thermodynamica bestuderen?
Het helpt ons om de logica te begrijpen die achter het verschijnsel leven zit, altijd rekening houden met de energie.
ENERGETISCHE EIGENSCHAPPEN BEPALEN OF EEN REACTIE OP EEN SIGNIFICANTE SCHAAL MOGELIJK IS EN OF DE
OMGEKEERDE REACTIE OOK OP EEN SIGNIFICANTE SCHAAL KAN GEBEUREN.
2.2 Biologische energieomzettingen gehoorzamen de wetten der thermodynamica
Thermodynamische situering van het leven
Cellen creëren en handhaven orde in een universum van steeds toenemende wanorde, hiervoor is er nood aan
BIOSYNTHESE (= een steeds aanhoudende stroom van reacties) die zowel atomen als energie nodig heeft om te
kunnen plaatsvinden, deze reacties worden bevorderd door enzymen (die ook controle op de reacties toestaat)
Biologische orde en de 2 d e wet vd thermodynamica
- ‘De wanorde van het universum (of van elk geïsoleerd systeem daarbinnen), kan alleen maar toenemen’
- ‘Systemen zullen spontaan veranderen naar die schikkingen die het meest waarschijnlijk zijn.’
- ‘Systemen zullen spontaan evolueren naar de schikkingen met de grootste entropie’
! Levende cellen lijken op het eerste zicht deze 2de wet
te overtreden doordat ze orde scheppen (door te
groeien en complexe organismen te vormen) MAAR
de cel is geen geïsoleerd systeem, bij de reacties die
gebeuren voor het scheppen van orde komt warmte
vrij in de omgeving → meer wanorde in de omgeving.
De totale entropie zal dus wel stijgen en de 2de wet is
gerespecteerd
Warmte is de meest wanordelijke vorm van energie → doet de moleculaire bewegingen stijgen (wanorde ↑)
Biologische energieomzettingen en de 1 e wet van de thermodynamica
‘Energie kan van de ene vorm naar de andere worden omgezet, maar kan niet worden geschapen of vernietigd’
! Wanneer men praat over ‘energieproductie in … ‘ dan gaat het eigenlijk om energieomzettingen en niet om
energieproductie.
1 De energetische logica van het leven
1.1 Energieproductie en consumptie in het metabolisme
ENERGIE staat centraal in de biochemie : cellen en organismen zijn er afhankelijk van omdat:
- info opslaan en tot expressie brengen
- uitvoeren van biosynthetische reacties
- beweging van de gehele cel of organellen daarbinnen
- onevenwicht met de buitenwereld behouden
Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving:
De concentraties van moleculen en ionen binnen en buiten de cel verschillen → moet ≠
stoffen pompen om deze concentraties op het gewenste peil te houden: KOST ENERGIE.
Ook stoffen waarvan de concentratie constant is worden steeds gesyntiseerd en afgebroken
tegen een continue snelheid → DYNAMISCHE STEADY STATE, om deze te onderhouden is er
ook energie nodig.
Organismen transformeren energie en materie uit hun
omgeving:
≠ soorten systemen:
- Geisoleerd systeem: wisselt geen energie en geen materie uit
- Gesloten systeem: wisselt wel energie maar geen materie uit
- Open systeem: wisselt zowel energie als materie uit
↪ ELK LEVEND ORGANISME IS EEN OPEN SYSTEEM
≠ systemen om energie uit hun omgeving te halen:
- Opname van chemische brandstoffen, extraheren energie door
deze te oxideren.
- Opname van energie uit zonlicht (planten, bacteriën, … )
Cellen zijn zeer effectieve omzetters van energie
↪ tijdens de energieomzettingen: de wanorde ↑ en de Epot ↓ van
complexe voedingsmoleculen
Levende organismen:
a) Extraheren energie uit hun omgeving
b) Converteren een deel vd energie in bruikbare vormen om arbeid
te verrichten
c) Geven een deel energie terug af naar de omgeving als warmte
d) Zorgen voor een stijging vd entropie door eindproduct vrij te
stellen dat minder georganiseerd is dan het oorspronkelijke
e) De dalende wanorde komt voor in de vorm van complexe
macromoleculen
,Alle levende organismen betrekken direct of indirect hun energie uit de stralingsenergie vd zon.
- Fotosynthetische organismen :
Capteren
de
lichtenergie en gebruiken deze om elektronen van water door te geven naar CO2, met vorming van
energierijke producten en vrijstelling van O2 aan de atmosfeer
- Niet-fotosynthetische organismen :
Bekomen energie door het oxideren van energierijke fotosynthese producten, geven hierbij elektronen door
aan O2 om zo water en CO2 te vormen. = RESPIRATIE
ALLE ENERGIEOMZETTINGEN IN DE CEL KUNNEN HERLEID WORDEN TOT DEZE FLOW VAN
ELEKTRONEN.
- Hydrogeneringsreacties (+H) = reductie
- Dehydrogeneringsreacties (-H) = oxidatie
↪ stapsgewijze oxidatie van moleculen laat toe om nuttige hoeveelheden energie te extraheren.
Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar:
Een energie vrijstellende reactie (exergone) kan een energie
vergende (endergone) reactie aandrijven.
↪ chemische reacties gebeuren in gesloten systemen
spontaan totdat evenwicht wordt bereikt.
,Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers:
Energie vrijgesteld door voedselmoleculen moet tijdelijk kunnen worden opgeslagen om dat de kunnen aanspraken
wanneer je ze nodig hebt.
MEESTAL in geactiveerde carriers, energie gestockeerd in bindingsenergie.
↪ carriers zijn klein en kunnen snel diffunderen naar de plaats waar ze nodig zijn.
Carriers stockeren energie als:
- Gemakkelijk transfereerbare groep
- Hoge-energie elektronen
⟹ ze spelen een duale rol: energie + chemische groepen voor
biosynthese reacties
⟹ Belangrijkste geactiveerde carriers zijn: ATP en
NADH/NADPH
Bij oxidatie van brandstofmoleculen zorgen enzymen ervoor
dat een groot deel van de vrije energie gecapteerd wordt in
een chemisch bruikbare vorm ipv verloren te gaan als warmte.
↪ verwezenlijkt door een gekoppelde reactie die de vorming
van een geactiveerde carrier aandrijft.
Enzymen bevorderen ketens van reacties:
De weg van reagens naar product verloopt meestal via een energie barrière =
ACTIVERINGSBARRIERE deze moet overwonnen worden wilt de reactie doorgaan.
Het hoogste punt in het reactie coordinaat diagram is de TRANSITIETOESTAND.
ENZYMEN = biokatalysten die de snelheid van een rectie verhogen zonder zelf
verbruikt te worden
↪ ze zorgen ervoor dat de meeste cellulaire reactie met een meetbare snelheid
kunnen verlopen
↪ ze versnellen de reactie door gebruik te maken van bindingseffecten, door deze
binding ondergaan de reagentia zelf en verandering in moleculaire vorm die meer
aanleunt bij de transitietoestand waardoor de activeringsenergie verlaagd wordt.
Metabole katalysten zijn meestal eiwitten & elk enzym zal 1 specifieke reactie katalyseren
⟹ er zijn dus 1000’en ≠ enzymen nodig die elks een zeer specifieke werking hebben en
geregeld kunnen worden.
⟹ enzymen scheppen orde in de vele mogelijke richtingen waarin moleculen potentieel
kunnen reageren.
⟹ een opeenvolgende werking van enzymen kan een reagens via een welbepaalde
pathway omzetten.
Enzymen vinden hun substraat doordat ze een ACTIEVE SITE bevatten waar het substraat zal binden op een
stereospecifieke manier en de reactie zal worden bevorderd.
1000’en enzym gekatalyseerde reacties in de cel zijn georganiseerd in opeenvolgende reacties nl. PATHWAYS, het
product vd ene reactie = het reagens van de volgende.
- KATABOLE pathways: degraderen voedingstoffen om er energie uit te extraheren in een vorm bruikbaar voor
de cel.
- ANABOLE pathways: starten met kleine bouwstenen die worden omgezet tot progressief grotere of
complexere moleculen.
, Metabolisme wordt geregeld om balans en zuinigheid te bevorderen:
Sleutelenzymen worden zodanig geregeld dat elk type precursor
molecule slecht wordt geproduceerd in die hoeveelheden die
overeenstemmen met de noden van de cel.
De cel regelt ook de synthese van de enzymen zelf via beïnvloeding van de genexpressie
↪ BV de synthese van een enzymeiwit wordt aan of afgezet naargelang er gestegen of gedaalde nood bestaat aan
het product dat door dit enzym wordt gemaakt
↪ laat cellen toe om een dynamische steady state te onderhouden ondanks ≠ in het uitwendige milieu
2 Thermodynamische basisprincipes der bio-energetica
2.1 Waarom thermodynamica bestuderen?
Het helpt ons om de logica te begrijpen die achter het verschijnsel leven zit, altijd rekening houden met de energie.
ENERGETISCHE EIGENSCHAPPEN BEPALEN OF EEN REACTIE OP EEN SIGNIFICANTE SCHAAL MOGELIJK IS EN OF DE
OMGEKEERDE REACTIE OOK OP EEN SIGNIFICANTE SCHAAL KAN GEBEUREN.
2.2 Biologische energieomzettingen gehoorzamen de wetten der thermodynamica
Thermodynamische situering van het leven
Cellen creëren en handhaven orde in een universum van steeds toenemende wanorde, hiervoor is er nood aan
BIOSYNTHESE (= een steeds aanhoudende stroom van reacties) die zowel atomen als energie nodig heeft om te
kunnen plaatsvinden, deze reacties worden bevorderd door enzymen (die ook controle op de reacties toestaat)
Biologische orde en de 2 d e wet vd thermodynamica
- ‘De wanorde van het universum (of van elk geïsoleerd systeem daarbinnen), kan alleen maar toenemen’
- ‘Systemen zullen spontaan veranderen naar die schikkingen die het meest waarschijnlijk zijn.’
- ‘Systemen zullen spontaan evolueren naar de schikkingen met de grootste entropie’
! Levende cellen lijken op het eerste zicht deze 2de wet
te overtreden doordat ze orde scheppen (door te
groeien en complexe organismen te vormen) MAAR
de cel is geen geïsoleerd systeem, bij de reacties die
gebeuren voor het scheppen van orde komt warmte
vrij in de omgeving → meer wanorde in de omgeving.
De totale entropie zal dus wel stijgen en de 2de wet is
gerespecteerd
Warmte is de meest wanordelijke vorm van energie → doet de moleculaire bewegingen stijgen (wanorde ↑)
Biologische energieomzettingen en de 1 e wet van de thermodynamica
‘Energie kan van de ene vorm naar de andere worden omgezet, maar kan niet worden geschapen of vernietigd’
! Wanneer men praat over ‘energieproductie in … ‘ dan gaat het eigenlijk om energieomzettingen en niet om
energieproductie.
