HOOFDSTUK 1: INLEIDING TOT METABOLISME
1.1. inleiding
verondersteld te kennen/hoe het werkt:
- enzymatische katalyse
- regulatie van enzymactiviteit d.m.v. allosterie
→ allosterische regulatie
→ covalente modificatie
→…
- structuur van eiwitten (weten wat het betekent)
→ secundaire structuur = secundaire structuurelementen zoals α-helices/β-strands
→ tertiaire structuur = structuur v volledig opgevouwen eiwit
→ quaternaire structuur = interactie tss vss eiwitten die samen structuur vormen
- chemische structuur van aminozuren
→ gegeven AZ knn herkennen
→ kerneigenschappen AZ herhalen vb.:
➢ aspartaat = negatief geladen ionaire AZ
➢ isoleucine, valine = hydrofoob AZ
kadering cursus:
- centraal koolstof-metabolisme = centrale reacties die leven mogelijk maken
- organoheterotrofe organismen, zoals mens
1.1.1. metabolisme
- metabolisme:
→ proces van afbraak, synthese van biologische moleculen
→ complex, sterk gereguleerd netwerk v enzymatische reacties
→ som alle (enzymatische) reacties = LEVEN
- algemene metabolische principes hetzelfde in alle organismen:
→ dankzij:
➢ gemeenschappelijke evolutionaire oorsprong
➢ beperkingen opgelegd door wetten v thermodynamica
→ variaties te wijten aan:
➢ bezetting vss ecologische niches
➢ vss in vrije E bronnen ~ voeding
- organismen onderverdeeld naargelang voedingsstrategie:
→ 3 ! elementen bepalen welke voedingsstrategie
→ 3 vragen:
1. vanwaar komt de energie om alle reacties aan te drijven?
➢ licht → fototroof
➢ (an)organische verbindingen → chemotrofen
➢ radioactieve straling → ‘radiotrofen’
❖ overleven n enkel op radioactieve straling (halen extra voordeel eruit)
2. vanwaar komen de nodige elektronen voor het maken covalente bindingen?
➢ anorganische verbindingen → lithotrofen
➢ organische verbindingen → organotrofen
3. vanwaar komt de koolstof om een organisme op te bouwen?
➢ CO2 (of zelden: CH4) → autotrofen
➢ organische verbindingen → heterotrofen
, → vbn:
➢ chemosynthese:
❖ bij andere bacteriën en archaea
❖ 1ste type metabolisme (onder de vorm chemolithoautotrofie)
❖ anorganische verbindingen voor zowel E als e- gebruikt w en meestal
CO2 als koolstofbron
❖ chemoorgano(hetero)trofen
● protista, fungi en dieren
● vaak organische verbindingen als E, e- en koolstofbron
❖ chemoorganoautotroof (ter info)
● methanol als E-bron + e- bron, CO2 als koolstofbron
● belang: maken eiwitten/organische verbindingen uit CO2
● winst in efficiëntie + ecologische waarde
● gist beter dan bacteriën
❖ chemische energie gebruiken voor koolstoffixatie
● CO2 fixeren tot grotere verbindignen
➢ fotosynthese:
❖ planten, algen en cyanobacteriën
❖ E uit zonlicht, e- uit water om CO2 te reduceren tot cellulaire
componenten → foto(litho)autotrofen
❖ fotoautotrofen gebruiken vaak ook organische als e- donor, -litho-
vaak weggelaten
❖ licht gebruiken voor koolstoffixatie
→ heterotrofen afhankelijk v autotrofen( dus v foto- of chemosynthese) voor overleven
- metabolisme:
→ definitie:
1. het verkrijgen van E, koolstof en elektronen
➢ vb. afbraak nutriënten, zonne-energie,etc.
2. het verbruiken van E, koolstof en elektronen voor uitvoeren cellulaire functies
➢ vb. synthese van moleculen eigen aan de cel
, → onderverdeling in:
1) katabolisme = degradatie (afbraak)
➢ energierijke voedingsstoffen opnemen
➢ afbreken tot energiearme(vrije) eindproducten
(vrij in biochemische context)
➢ katabole pathways stellen E vrij
❖ deel gebruikt vorming ATP + gereduceerde
elektronendragers zoals NADH, NADPH,
FADH2
❖ rest E verloren als warmte
❖ w dus tijdelijk opgeslagen als chemische E
2) anabolisme = biosynthese (opbouwen)
➢ vertrekken van precursoren
➢ gebruikt om nodige biopolymeren op te bouwen
➢ anabole reacties vereisen E
❖ in vorm ATP en reducerend vermogen andere
moleculen
⇒ 2 aan elkaar gelinkt via de tussenkomst v die E dragers en
elektronendragers
1.1.2. metabolische pathways
- enkele definities:
→ >2000 gekende metabolische reacties, uitgevoerd door specifiek enzym
~ paar (zeer zeldzame) uitz. waarbij reactie op chemisch niveau zonder hulp
enzym toch snel genoeg gaat om in metabolisme aan significante snelheid door
te gaan
→ vss tss organisme, celtype,etc.
→ pathway = reeks v opeenvolgende reacties gekatalyseerd door enzymen
→ per reactie chemische verandering aangebracht
→ resultaat: precursor molecule w omgezet tot product via een reeks intermediairen
→ metabolieten = precursoren + intermediairen + producten (alle chemische
verbindingen die bewerkt w in die pathways)
→ metabolisme opgebouwd uit vertakte, lineaire of cyclische pathways
➢ meeste:
❖ lineair:
● v startpunt naar bepaald eindpunt
● zetten een enkel reactant om tot een eindproduct
❖ vertakt:
, ● convergent:
o vss precursoren omgezet tot hetzelfde product
o vanuit vss startpunten naar centraal punt kunt gaan
o katabole pathways (convergeert naar simpelere molecules)
● divergent:
o vss eindproducten w gevormd uit dezelfde precursor
molecule
o vanuit centraal punt naar vss eindpunten
o anabole pathways
➢ uitzonderlijk:
❖ cyclisch:
● meest bekende vb. v cyclische cyclus = citroenzuurcyclus
● eindpunt v pathway terug een input molecule is om de pathway
opnieuw te knn starten (wat overschiet v cyclus is nodig voor
nieuwe cyclus)
● hetgene erin stopt in begin pathway doorlopen terug hetzelfde
● nooit het enige wat je erin stopt
- eukaryoten: compartimentalisatie v metabolisme
➔ bij prokaryoten vrij simpel; cel met 1 celmembraan/celwand errond waarin
alles gebeurd (binnenin 1 gemengde vloeistof)
➔ vss pathways gaan door in vss organellen!
❖ alle organellen specifieke functies die n overlappen met rest v de cel
❖ bv. mitochondriën = energiefabriekjes v cel omdat veel v afbraak
pathway (oxidatieve afbraak pathways) die in ons lichaam doorgaan,
gaan daar in de mitochondriën door; is belangrijkste site waar zuurstof
verbruikt w in onze cellen
❖ bv. in cytosol gaan andere pathways door die n aeroob zijn; een paar
biosynthetische pathways gaan door
➔ waarom compartimentalisatie?
❖ pathways scheiden om ze apart te knn controleren
(aanmaak&afbraak)
, ❖ bepaalde centrale molecules in metabolisme (bv. coenzyme A) wil je
dat er veel v is of weinig v is afh. v de pathways die actief zijn en dit
kan je ook scheiden in locaties
- multicellulaire organismen: verdere compartimentalisatie v metabolismen
➔ vss tss organen en weefsels: bvb. bij de mens gebeurt de synthese v glucose
vnl. in de lever, verbranding in hersenen en spieren
➔ isozymen (= isoenzymen) zijn het gevolg v deze specialisatie (de
compartementalisatie):
❖ ze katalyseren dezelfde reactie (chemische omzetting is hetzelfde)
❖ ze w gecodeerd door vss genen (enzym/eiwit is een ander eiwit,
hierdoor vss eigenschappen)
❖ ze hebben verschillende kinetische en regulatorische eigenschappen
❖ bvb: hexokinase vs. glucokinase (zie later in cursus)
● zetten beide glucose om naar glucose-6-fosfaat
● glucokinase wel gereguleerd (kan aan/uit gezet w) en
hexokinase n (gaat altijd voort/ doet zijn werk)
- enzymen
➔ hier op fig. spelen de enzymen hun rol:
❖ rol bij:
● chemische omzettingen
● oogsten of terug spenderen v E en elektronen die geoogst zijn
geweest (die uit voedingsstoffen gehaald zijn geweest)
➔ reacties w uitgevoerd door enzymen
❖ enzymen katalyseren nagenoeg alle reacties uit de katabole en anabole
pathways
❖ verlagen de vrije E v de transitietoestand: zonder enzymen zouden reacties té
traag doorgaan (m.a.w een n spontane reactie zal nooit spontaan w)
, ❖ veranderen n de vrije energieverandering v de reactie (zie verder)
❖ knn wel een endergone reactie (die n spontaan knn doorgaan) koppelen aan
een exergone reactie (energetisch gunstig), zodat deze eerste toch kan
doorgaan (zie verder)
● plakken er iets na waardoor energieniveau lager van w
● kan n spontane reactie hierdoor toch voorwaarts drijven naar een punt
waar die wel spontaan w (kijken naar totale verschil)
❖ reageren met specifieke substraten en vermijden zo de vorming v
ongewenste en/of toxische bijproducten
➔ soorten enzymen (ter illustratie zodanig je naam ziet weet wat het betekent):
1.2. thermodynamische beschouwingen
1.2.1 thermodynamica, evenwichtsconstante en gibbs vrije E
- thermodynamica
➔ het begrip vrije E verandering (ΔG)
❖ katabole reacties ‘maken meestal E beschikbaar’ (ΔG<0)
❖ anabole reactie ‘verbruiken meestal E’ (ΔG>0, maar gaat er iets tegen
smijten dat het toch in staat stelt om die toch te doen doorgaan, zoals
bv. ATP, NADH of iets dergelijks)
❖ MAAR: in vivo gaan alle reacties gepaard met een netto daling in vrije
E, i.e. ΔG<0, door het koppelen v thermodynamisch gunstige en
ongunstige reacties (ATP gaan verbranden of iets ander om het toch
te doen gaan)
❖ vrije E (verandering) is dus geen eigenschap v een enkelv. molecule,
maar wel v een systeem (een geheel)
❖ de vrije E verandert wnr het systeem een chemische reactie
ondergaat
❖ definitie ΔG voor A+B ↔ C+D: ΔG = ΔG^0’ + RT ln [C][D]/[A][B] =
● reactiequotiënt opgebouwd uit vss conc. v de vss moleculen
die deelnemen aan de reactie
● stel A+2B ↔ C+3D (de cijfers w machten in de formule)
● ‘ bij standaard vrije E verandering duidt aan dat we voor
biochemische standaard kiezen
, ❖ bij evenwicht is ΔG = 0 en nemen de metabolieten hun
evenwichtsconc. aan. dit w gekarakteriseerd door de
evenwichtsconstante, met andere woorden bij evenwicht is Q = Keq
➔ het begrip biochemische standaard vrije E verandering
❖ ΔG^0’ is een cte voor een welbepaalde reactie
❖ ΔG^0’<0: reactie spontaan in biochemische standaardcondities
❖ ΔG^0’>0: n spontaan in biochemische standaardcondities
❖ ‘biochemische’ standaardcondities:
● 1. als water gevormd of verbruikt w, zit dit verrekend in ΔG^0’
(als water rol speelt in biochemische reactie en je krijgt ΔG^0’
dan moet je water n in rekening brengen, n meer in reactie-
quotiënt (RQ) schrijven want verrekend in ΔG^0’)
● 2. ΔG^0’ geldt bij pH = 7.00 en druk = 1 atm (# H+’en ook in
verrekend dus hier ook geen rekening meehouden)
● 3.temp. is 25°C (of 37°C, afh. v geraadpleegde bron)
⇒ zijn de 3 standaard biochemische standaard condities
● 4. ΔG = ΔG^0’ wnr reagentia allemaal aan 1M bij elkaar
gevoegd zouden w (behalve protonen en water) onder
standaard condities
❖ MAAR: standaard condities komen zelden voor in de cel, dus ΔG ≠
ΔG^0’ (standaard condities is ook 1 molair v alle reagentia, dit is
hetzelfde bij fysische standaard condities ΔG^0)
❖ spontaniteit v een reactie hangt dus ook af v werkelijke conc. v
metabolieten en n enkel v ΔG^0’
❖ formule ΔG^0’ = -RTlnK’eq
1.2.2 gekoppelde reacties
- een endergoon proces kan doorgaan via koppeling aan een exergoon proces
- uitgewerkt vb. v het koppelen v reacties
➔ reactie waarbij glucose gecondenseerd w met fosfaat tot glucose-6-P (=
biosynthetische reactie (moet E erin steken), vorming nieuwe binding tss
glucose en fosfaat kost E)
➔ reactie verbranding of hydrolyseren v ATP krijg je ADP en fosfaat (E komt
hierbij vrij
➔ als je de 2 halfreacties toevoegt/ samenvoegt dan totaal v -16,7 v gibbs vrije
E = in totaliteit een spontane reactie
➔ biosynthetische reactie aangedreven met verbruik v een E-rijke molecule ATP
, - indien som v reacties exergoon is, dan gaat een reeks reacties door in de
voorwaartse richting
1.2.3 thermodynamica en flux doorheen metabolische pathways
- thermodynamica & metabole controle (zeer belangrijk stuk)
➔ levende wezens hebben systeem waarbij ∆G nooit 0 w
❖ steekt altijd substraat bij en zorgt ervoor dat op elk geg. moment dat
er een negatieve ∆G blijft bestaan (houdt onevenwicht in stand)
➔ de meeste metabole reacties gaan door dicht bij het evenwicht:
❖ de reacties zijn reversibel (∆G ≈ 0) (bij de meeste individuele reacties)
❖ reden: enzym werkt voldoende snel (altijd actief)
❖ veranderingen in substraatconc. hebben een invloed op de snelheid v
de reacties
➔ sommige reacties gaan door ver van het evenwicht:
❖ de reacties zijn irreversibel (∆G <<< 0)
❖ reden: enzym werkt ‘te traag’, zodat evenwicht nooit bereikt w
● de snelheidsbepalende stap (SBS) enzymen werken zeer
traag (doordat ze zo traag werken ontstaat dat onevenwicht en
veroorzaakt ∆G veel < 0; doordat enzym traag werkt, dat is
oorzaak ∆G veel < 0 want houdt substraten tegen en zorgt dat
er weinig product is en veel substraat waardoor de
concentraties zodanig w dat ∆G heel klein w)
❖ veranderingen in substraatconc. hebben weinig effect op de snelheid v
de reactie
❖ enkel veranderingen in de activiteit v het enzym knn de
reactiesnelheid beïnvloeden (regulatie!! vb. allosterie)
❖ deze reacties komen voor op strategische plaatsen in de metabolische
pathways → controle v metabolische pathway (= sleutelreacties, 1 of 2
per pathway waarbij de ∆G sterk negatief gehouden w zodanig dat de
∆G v de hele pathway ook sterk negatief blijft )
- metabole flux
➔ flux = snelheid waarmee metabolieten doorheen een metabole pathway
stromen
➔ het bepalen v de flux vereist identificatie v de n-equilibrium reacties, die
voorkomen op cruciale plaatsen
➔ door het bestaan v n-equilibrium reacties:
❖ zijn metabole pathways irreversibel; het voorkomen v een sterk
exergone reactie maakt de volledige pathway irreversibel
❖ zijn er cruciale stappen in alle pathways; een sterk exergone
reactie, gewoonlijk aan het begin v de pathway, garandeert dat het
product v deze reactie zeker de pathway doorloopt
❖ zijn katabole en anabole pathways verschillend
● indien de reactie v metaboliet 1 naar 2 exergoon is, dan zou de
omgekeerde reactie endergoon zijn (2 → A → 1)
● 2 onafhankelijke pathways knn op een onafhankelijke
manieren gecontroleerd w (2 → X → Y → 1)
- controle v de metabolische flux
, ➔ levende organismen streven ‘steady state’ toestand na (continu substraat
toegevoegd en E eruit gehaald) en geen evenwicht (equilibrium) !! (wil
zeggen dat je dood bent)
➔ enkel n-equilibrium reacties knn arbeid verrichten
➔ bij equilibrium is ∆G = 0 en is er geen flux v metabolieten doorheen de
pathway
➔ flux doorheen de pathway:
❖ w bepaald door de n-equilibrium reacties = snelheids-bepalende
stap(pen) = traagste stap in de pathway
❖ w aangepast naargelang noden v organisme door veranderingen aan
de n-equilibrium reacties
- Ilya Prigogine
➔ belangrijke rol in ontdekking/beschrijving
➔ 1977: Nobelprijs voor chemie
➔ bekend v definitie v ‘dissipatieve structuren’ en rol in thermodynamische
systemen die n in evenwicht zijn
❖ door lokale en microscopische veranderingen knn uit dergelijke
processen spontaan nieuwe geordende structuren ontstaan, die
echter dissipatief zijn (moeten continu E verbruiken/vrijgemaakt w om
geordende structuren geordend te houden). ze blijven slechts
voortbestaan indien voortdurend E en materie in een constante flux
met de omgeving w uitgewisseld
1.2.4 controlemechanismen voor controle vd flux
- in pathway vss stappen/enzymatische reacties, beperkt # groot verval in E (-∆G)
doordat er een enzym zit die traag of niet snel werkt -> zijn controlepunten van hele
pathway
- 4 mechanismen (hoe kan enzym zijn snelheid trager of sneller kan maken als het op
zo’n punt zit waar ∆G sterk negatief is)
1. allosterische controle
➔ = enzym met allosterische site waar effector (substraat, product,
co-enzym,...) molecule aan bindt -> conformationele verandering ->
affiniteit substraat beïnvloeden -> enzymactiviteit beïnvloeden
(activeren of inhiberen)
➔ productinhibitie/feedbackinhibitie vaak te zien : eindpunt van pathway
die ergens stroomopwaarts snelheidsbep stap gaat inhiberen
➔ feedforward activatie : allereerste beginP of substraat van snelheidbep
stap zelf zal snelheidbep zal activeren
2. covalente modificaties
➔ meest voorkomend : fosforylaties/defosforylaties (op specifieke sites)
van enzymen op Ser/Thr -> veranderingen in enzymactiviteit
, 3. substraat cycling (f + r)
➔ figuur :
❖ f : B -> C is snelheidsbep stap & kan enkel doorgaan in
voorwaartse richting
❖ r : C -> B (terugwaartse stap) door ander enzym met ander
chemische R uitgevoerd w (want voorwaartse sterk -∆G dus
knn niet zomaar terug en dus via een ander pad)
❖ lijkt nutteloze stap want Everspilling en in rondjes MAAR laat
toe nog fijnere regulatie vd snelheid te doen op dat punt
(dus eig geen controlemechanisme) -> vf en vr knn onafh van
elkaar gereguleerd w
● voordelen :
o voorwaartse kraan en terugwaartse open en dicht
zetten = groter dynamisch bereik
o pathway omdraaien door productie enzym r (alle
andere enzymen hierdoor recycleren)
● substraat cycli zéér gevoelig voor allosterische controle
4. genetische controle
➔ eiwitsynthese aanpassen naargelang metabolische behoeften (meer
of minder bijmaken van een bep enzym) -> dus conc enzymen (alle
EW eig) kan w aangepast
➔ vaak onder hormonale controle
- v waarmee controlemechanismen mee werken
1.1. inleiding
verondersteld te kennen/hoe het werkt:
- enzymatische katalyse
- regulatie van enzymactiviteit d.m.v. allosterie
→ allosterische regulatie
→ covalente modificatie
→…
- structuur van eiwitten (weten wat het betekent)
→ secundaire structuur = secundaire structuurelementen zoals α-helices/β-strands
→ tertiaire structuur = structuur v volledig opgevouwen eiwit
→ quaternaire structuur = interactie tss vss eiwitten die samen structuur vormen
- chemische structuur van aminozuren
→ gegeven AZ knn herkennen
→ kerneigenschappen AZ herhalen vb.:
➢ aspartaat = negatief geladen ionaire AZ
➢ isoleucine, valine = hydrofoob AZ
kadering cursus:
- centraal koolstof-metabolisme = centrale reacties die leven mogelijk maken
- organoheterotrofe organismen, zoals mens
1.1.1. metabolisme
- metabolisme:
→ proces van afbraak, synthese van biologische moleculen
→ complex, sterk gereguleerd netwerk v enzymatische reacties
→ som alle (enzymatische) reacties = LEVEN
- algemene metabolische principes hetzelfde in alle organismen:
→ dankzij:
➢ gemeenschappelijke evolutionaire oorsprong
➢ beperkingen opgelegd door wetten v thermodynamica
→ variaties te wijten aan:
➢ bezetting vss ecologische niches
➢ vss in vrije E bronnen ~ voeding
- organismen onderverdeeld naargelang voedingsstrategie:
→ 3 ! elementen bepalen welke voedingsstrategie
→ 3 vragen:
1. vanwaar komt de energie om alle reacties aan te drijven?
➢ licht → fototroof
➢ (an)organische verbindingen → chemotrofen
➢ radioactieve straling → ‘radiotrofen’
❖ overleven n enkel op radioactieve straling (halen extra voordeel eruit)
2. vanwaar komen de nodige elektronen voor het maken covalente bindingen?
➢ anorganische verbindingen → lithotrofen
➢ organische verbindingen → organotrofen
3. vanwaar komt de koolstof om een organisme op te bouwen?
➢ CO2 (of zelden: CH4) → autotrofen
➢ organische verbindingen → heterotrofen
, → vbn:
➢ chemosynthese:
❖ bij andere bacteriën en archaea
❖ 1ste type metabolisme (onder de vorm chemolithoautotrofie)
❖ anorganische verbindingen voor zowel E als e- gebruikt w en meestal
CO2 als koolstofbron
❖ chemoorgano(hetero)trofen
● protista, fungi en dieren
● vaak organische verbindingen als E, e- en koolstofbron
❖ chemoorganoautotroof (ter info)
● methanol als E-bron + e- bron, CO2 als koolstofbron
● belang: maken eiwitten/organische verbindingen uit CO2
● winst in efficiëntie + ecologische waarde
● gist beter dan bacteriën
❖ chemische energie gebruiken voor koolstoffixatie
● CO2 fixeren tot grotere verbindignen
➢ fotosynthese:
❖ planten, algen en cyanobacteriën
❖ E uit zonlicht, e- uit water om CO2 te reduceren tot cellulaire
componenten → foto(litho)autotrofen
❖ fotoautotrofen gebruiken vaak ook organische als e- donor, -litho-
vaak weggelaten
❖ licht gebruiken voor koolstoffixatie
→ heterotrofen afhankelijk v autotrofen( dus v foto- of chemosynthese) voor overleven
- metabolisme:
→ definitie:
1. het verkrijgen van E, koolstof en elektronen
➢ vb. afbraak nutriënten, zonne-energie,etc.
2. het verbruiken van E, koolstof en elektronen voor uitvoeren cellulaire functies
➢ vb. synthese van moleculen eigen aan de cel
, → onderverdeling in:
1) katabolisme = degradatie (afbraak)
➢ energierijke voedingsstoffen opnemen
➢ afbreken tot energiearme(vrije) eindproducten
(vrij in biochemische context)
➢ katabole pathways stellen E vrij
❖ deel gebruikt vorming ATP + gereduceerde
elektronendragers zoals NADH, NADPH,
FADH2
❖ rest E verloren als warmte
❖ w dus tijdelijk opgeslagen als chemische E
2) anabolisme = biosynthese (opbouwen)
➢ vertrekken van precursoren
➢ gebruikt om nodige biopolymeren op te bouwen
➢ anabole reacties vereisen E
❖ in vorm ATP en reducerend vermogen andere
moleculen
⇒ 2 aan elkaar gelinkt via de tussenkomst v die E dragers en
elektronendragers
1.1.2. metabolische pathways
- enkele definities:
→ >2000 gekende metabolische reacties, uitgevoerd door specifiek enzym
~ paar (zeer zeldzame) uitz. waarbij reactie op chemisch niveau zonder hulp
enzym toch snel genoeg gaat om in metabolisme aan significante snelheid door
te gaan
→ vss tss organisme, celtype,etc.
→ pathway = reeks v opeenvolgende reacties gekatalyseerd door enzymen
→ per reactie chemische verandering aangebracht
→ resultaat: precursor molecule w omgezet tot product via een reeks intermediairen
→ metabolieten = precursoren + intermediairen + producten (alle chemische
verbindingen die bewerkt w in die pathways)
→ metabolisme opgebouwd uit vertakte, lineaire of cyclische pathways
➢ meeste:
❖ lineair:
● v startpunt naar bepaald eindpunt
● zetten een enkel reactant om tot een eindproduct
❖ vertakt:
, ● convergent:
o vss precursoren omgezet tot hetzelfde product
o vanuit vss startpunten naar centraal punt kunt gaan
o katabole pathways (convergeert naar simpelere molecules)
● divergent:
o vss eindproducten w gevormd uit dezelfde precursor
molecule
o vanuit centraal punt naar vss eindpunten
o anabole pathways
➢ uitzonderlijk:
❖ cyclisch:
● meest bekende vb. v cyclische cyclus = citroenzuurcyclus
● eindpunt v pathway terug een input molecule is om de pathway
opnieuw te knn starten (wat overschiet v cyclus is nodig voor
nieuwe cyclus)
● hetgene erin stopt in begin pathway doorlopen terug hetzelfde
● nooit het enige wat je erin stopt
- eukaryoten: compartimentalisatie v metabolisme
➔ bij prokaryoten vrij simpel; cel met 1 celmembraan/celwand errond waarin
alles gebeurd (binnenin 1 gemengde vloeistof)
➔ vss pathways gaan door in vss organellen!
❖ alle organellen specifieke functies die n overlappen met rest v de cel
❖ bv. mitochondriën = energiefabriekjes v cel omdat veel v afbraak
pathway (oxidatieve afbraak pathways) die in ons lichaam doorgaan,
gaan daar in de mitochondriën door; is belangrijkste site waar zuurstof
verbruikt w in onze cellen
❖ bv. in cytosol gaan andere pathways door die n aeroob zijn; een paar
biosynthetische pathways gaan door
➔ waarom compartimentalisatie?
❖ pathways scheiden om ze apart te knn controleren
(aanmaak&afbraak)
, ❖ bepaalde centrale molecules in metabolisme (bv. coenzyme A) wil je
dat er veel v is of weinig v is afh. v de pathways die actief zijn en dit
kan je ook scheiden in locaties
- multicellulaire organismen: verdere compartimentalisatie v metabolismen
➔ vss tss organen en weefsels: bvb. bij de mens gebeurt de synthese v glucose
vnl. in de lever, verbranding in hersenen en spieren
➔ isozymen (= isoenzymen) zijn het gevolg v deze specialisatie (de
compartementalisatie):
❖ ze katalyseren dezelfde reactie (chemische omzetting is hetzelfde)
❖ ze w gecodeerd door vss genen (enzym/eiwit is een ander eiwit,
hierdoor vss eigenschappen)
❖ ze hebben verschillende kinetische en regulatorische eigenschappen
❖ bvb: hexokinase vs. glucokinase (zie later in cursus)
● zetten beide glucose om naar glucose-6-fosfaat
● glucokinase wel gereguleerd (kan aan/uit gezet w) en
hexokinase n (gaat altijd voort/ doet zijn werk)
- enzymen
➔ hier op fig. spelen de enzymen hun rol:
❖ rol bij:
● chemische omzettingen
● oogsten of terug spenderen v E en elektronen die geoogst zijn
geweest (die uit voedingsstoffen gehaald zijn geweest)
➔ reacties w uitgevoerd door enzymen
❖ enzymen katalyseren nagenoeg alle reacties uit de katabole en anabole
pathways
❖ verlagen de vrije E v de transitietoestand: zonder enzymen zouden reacties té
traag doorgaan (m.a.w een n spontane reactie zal nooit spontaan w)
, ❖ veranderen n de vrije energieverandering v de reactie (zie verder)
❖ knn wel een endergone reactie (die n spontaan knn doorgaan) koppelen aan
een exergone reactie (energetisch gunstig), zodat deze eerste toch kan
doorgaan (zie verder)
● plakken er iets na waardoor energieniveau lager van w
● kan n spontane reactie hierdoor toch voorwaarts drijven naar een punt
waar die wel spontaan w (kijken naar totale verschil)
❖ reageren met specifieke substraten en vermijden zo de vorming v
ongewenste en/of toxische bijproducten
➔ soorten enzymen (ter illustratie zodanig je naam ziet weet wat het betekent):
1.2. thermodynamische beschouwingen
1.2.1 thermodynamica, evenwichtsconstante en gibbs vrije E
- thermodynamica
➔ het begrip vrije E verandering (ΔG)
❖ katabole reacties ‘maken meestal E beschikbaar’ (ΔG<0)
❖ anabole reactie ‘verbruiken meestal E’ (ΔG>0, maar gaat er iets tegen
smijten dat het toch in staat stelt om die toch te doen doorgaan, zoals
bv. ATP, NADH of iets dergelijks)
❖ MAAR: in vivo gaan alle reacties gepaard met een netto daling in vrije
E, i.e. ΔG<0, door het koppelen v thermodynamisch gunstige en
ongunstige reacties (ATP gaan verbranden of iets ander om het toch
te doen gaan)
❖ vrije E (verandering) is dus geen eigenschap v een enkelv. molecule,
maar wel v een systeem (een geheel)
❖ de vrije E verandert wnr het systeem een chemische reactie
ondergaat
❖ definitie ΔG voor A+B ↔ C+D: ΔG = ΔG^0’ + RT ln [C][D]/[A][B] =
● reactiequotiënt opgebouwd uit vss conc. v de vss moleculen
die deelnemen aan de reactie
● stel A+2B ↔ C+3D (de cijfers w machten in de formule)
● ‘ bij standaard vrije E verandering duidt aan dat we voor
biochemische standaard kiezen
, ❖ bij evenwicht is ΔG = 0 en nemen de metabolieten hun
evenwichtsconc. aan. dit w gekarakteriseerd door de
evenwichtsconstante, met andere woorden bij evenwicht is Q = Keq
➔ het begrip biochemische standaard vrije E verandering
❖ ΔG^0’ is een cte voor een welbepaalde reactie
❖ ΔG^0’<0: reactie spontaan in biochemische standaardcondities
❖ ΔG^0’>0: n spontaan in biochemische standaardcondities
❖ ‘biochemische’ standaardcondities:
● 1. als water gevormd of verbruikt w, zit dit verrekend in ΔG^0’
(als water rol speelt in biochemische reactie en je krijgt ΔG^0’
dan moet je water n in rekening brengen, n meer in reactie-
quotiënt (RQ) schrijven want verrekend in ΔG^0’)
● 2. ΔG^0’ geldt bij pH = 7.00 en druk = 1 atm (# H+’en ook in
verrekend dus hier ook geen rekening meehouden)
● 3.temp. is 25°C (of 37°C, afh. v geraadpleegde bron)
⇒ zijn de 3 standaard biochemische standaard condities
● 4. ΔG = ΔG^0’ wnr reagentia allemaal aan 1M bij elkaar
gevoegd zouden w (behalve protonen en water) onder
standaard condities
❖ MAAR: standaard condities komen zelden voor in de cel, dus ΔG ≠
ΔG^0’ (standaard condities is ook 1 molair v alle reagentia, dit is
hetzelfde bij fysische standaard condities ΔG^0)
❖ spontaniteit v een reactie hangt dus ook af v werkelijke conc. v
metabolieten en n enkel v ΔG^0’
❖ formule ΔG^0’ = -RTlnK’eq
1.2.2 gekoppelde reacties
- een endergoon proces kan doorgaan via koppeling aan een exergoon proces
- uitgewerkt vb. v het koppelen v reacties
➔ reactie waarbij glucose gecondenseerd w met fosfaat tot glucose-6-P (=
biosynthetische reactie (moet E erin steken), vorming nieuwe binding tss
glucose en fosfaat kost E)
➔ reactie verbranding of hydrolyseren v ATP krijg je ADP en fosfaat (E komt
hierbij vrij
➔ als je de 2 halfreacties toevoegt/ samenvoegt dan totaal v -16,7 v gibbs vrije
E = in totaliteit een spontane reactie
➔ biosynthetische reactie aangedreven met verbruik v een E-rijke molecule ATP
, - indien som v reacties exergoon is, dan gaat een reeks reacties door in de
voorwaartse richting
1.2.3 thermodynamica en flux doorheen metabolische pathways
- thermodynamica & metabole controle (zeer belangrijk stuk)
➔ levende wezens hebben systeem waarbij ∆G nooit 0 w
❖ steekt altijd substraat bij en zorgt ervoor dat op elk geg. moment dat
er een negatieve ∆G blijft bestaan (houdt onevenwicht in stand)
➔ de meeste metabole reacties gaan door dicht bij het evenwicht:
❖ de reacties zijn reversibel (∆G ≈ 0) (bij de meeste individuele reacties)
❖ reden: enzym werkt voldoende snel (altijd actief)
❖ veranderingen in substraatconc. hebben een invloed op de snelheid v
de reacties
➔ sommige reacties gaan door ver van het evenwicht:
❖ de reacties zijn irreversibel (∆G <<< 0)
❖ reden: enzym werkt ‘te traag’, zodat evenwicht nooit bereikt w
● de snelheidsbepalende stap (SBS) enzymen werken zeer
traag (doordat ze zo traag werken ontstaat dat onevenwicht en
veroorzaakt ∆G veel < 0; doordat enzym traag werkt, dat is
oorzaak ∆G veel < 0 want houdt substraten tegen en zorgt dat
er weinig product is en veel substraat waardoor de
concentraties zodanig w dat ∆G heel klein w)
❖ veranderingen in substraatconc. hebben weinig effect op de snelheid v
de reactie
❖ enkel veranderingen in de activiteit v het enzym knn de
reactiesnelheid beïnvloeden (regulatie!! vb. allosterie)
❖ deze reacties komen voor op strategische plaatsen in de metabolische
pathways → controle v metabolische pathway (= sleutelreacties, 1 of 2
per pathway waarbij de ∆G sterk negatief gehouden w zodanig dat de
∆G v de hele pathway ook sterk negatief blijft )
- metabole flux
➔ flux = snelheid waarmee metabolieten doorheen een metabole pathway
stromen
➔ het bepalen v de flux vereist identificatie v de n-equilibrium reacties, die
voorkomen op cruciale plaatsen
➔ door het bestaan v n-equilibrium reacties:
❖ zijn metabole pathways irreversibel; het voorkomen v een sterk
exergone reactie maakt de volledige pathway irreversibel
❖ zijn er cruciale stappen in alle pathways; een sterk exergone
reactie, gewoonlijk aan het begin v de pathway, garandeert dat het
product v deze reactie zeker de pathway doorloopt
❖ zijn katabole en anabole pathways verschillend
● indien de reactie v metaboliet 1 naar 2 exergoon is, dan zou de
omgekeerde reactie endergoon zijn (2 → A → 1)
● 2 onafhankelijke pathways knn op een onafhankelijke
manieren gecontroleerd w (2 → X → Y → 1)
- controle v de metabolische flux
, ➔ levende organismen streven ‘steady state’ toestand na (continu substraat
toegevoegd en E eruit gehaald) en geen evenwicht (equilibrium) !! (wil
zeggen dat je dood bent)
➔ enkel n-equilibrium reacties knn arbeid verrichten
➔ bij equilibrium is ∆G = 0 en is er geen flux v metabolieten doorheen de
pathway
➔ flux doorheen de pathway:
❖ w bepaald door de n-equilibrium reacties = snelheids-bepalende
stap(pen) = traagste stap in de pathway
❖ w aangepast naargelang noden v organisme door veranderingen aan
de n-equilibrium reacties
- Ilya Prigogine
➔ belangrijke rol in ontdekking/beschrijving
➔ 1977: Nobelprijs voor chemie
➔ bekend v definitie v ‘dissipatieve structuren’ en rol in thermodynamische
systemen die n in evenwicht zijn
❖ door lokale en microscopische veranderingen knn uit dergelijke
processen spontaan nieuwe geordende structuren ontstaan, die
echter dissipatief zijn (moeten continu E verbruiken/vrijgemaakt w om
geordende structuren geordend te houden). ze blijven slechts
voortbestaan indien voortdurend E en materie in een constante flux
met de omgeving w uitgewisseld
1.2.4 controlemechanismen voor controle vd flux
- in pathway vss stappen/enzymatische reacties, beperkt # groot verval in E (-∆G)
doordat er een enzym zit die traag of niet snel werkt -> zijn controlepunten van hele
pathway
- 4 mechanismen (hoe kan enzym zijn snelheid trager of sneller kan maken als het op
zo’n punt zit waar ∆G sterk negatief is)
1. allosterische controle
➔ = enzym met allosterische site waar effector (substraat, product,
co-enzym,...) molecule aan bindt -> conformationele verandering ->
affiniteit substraat beïnvloeden -> enzymactiviteit beïnvloeden
(activeren of inhiberen)
➔ productinhibitie/feedbackinhibitie vaak te zien : eindpunt van pathway
die ergens stroomopwaarts snelheidsbep stap gaat inhiberen
➔ feedforward activatie : allereerste beginP of substraat van snelheidbep
stap zelf zal snelheidbep zal activeren
2. covalente modificaties
➔ meest voorkomend : fosforylaties/defosforylaties (op specifieke sites)
van enzymen op Ser/Thr -> veranderingen in enzymactiviteit
, 3. substraat cycling (f + r)
➔ figuur :
❖ f : B -> C is snelheidsbep stap & kan enkel doorgaan in
voorwaartse richting
❖ r : C -> B (terugwaartse stap) door ander enzym met ander
chemische R uitgevoerd w (want voorwaartse sterk -∆G dus
knn niet zomaar terug en dus via een ander pad)
❖ lijkt nutteloze stap want Everspilling en in rondjes MAAR laat
toe nog fijnere regulatie vd snelheid te doen op dat punt
(dus eig geen controlemechanisme) -> vf en vr knn onafh van
elkaar gereguleerd w
● voordelen :
o voorwaartse kraan en terugwaartse open en dicht
zetten = groter dynamisch bereik
o pathway omdraaien door productie enzym r (alle
andere enzymen hierdoor recycleren)
● substraat cycli zéér gevoelig voor allosterische controle
4. genetische controle
➔ eiwitsynthese aanpassen naargelang metabolische behoeften (meer
of minder bijmaken van een bep enzym) -> dus conc enzymen (alle
EW eig) kan w aangepast
➔ vaak onder hormonale controle
- v waarmee controlemechanismen mee werken
