Beste Student,

Transcriptie

1

2 Beste Student, De documenten op VETserieus.nl zijn alleen bedoeld als ondersteuning bij het studeren. De samenvattingen worden nagekeken door studenten tijdens het volgen van de lessen en waar nodig aangepast. Dit project heeft als doel foutloze samenvattingen te bieden die met hun tijd meegaan, ondanks dit streven is er altijd een kans dat er fouten in de documenten staan. Mocht je tijdens het lezen van de samenvatting fouten vinden kun je dat doorgeven via de contactpagina op de site of direct een mail sturen naar De student is verantwoordelijk voor zijn of haar leermethode en voor het uiteindelijke resultaat. Allemaal veel succes met de voorbereidingen!! Hartelijke groet, VETserieus.nl

3 Samenvatting CM COLLEGE 1 De 20 aminozuren die als bouwstof voor eiwitten dienen zijn allemaal L 2 aminozuren waarbij de zijketen voor allemaal verschillend is: de binding tussen aminozuren heten peptidebindingen: Alanine is een aminozuur met een CH3 als zijketen. De L2 duidt erop dat alleen de L optische isomeren in ons lichaam voorkomen waarbij C2 asymmetrisch is. Alleen de strcutuur van Glycine is symmetrsich en van de rest kennen we dus een D en een L vorm. Aminozuren kunnen overzichtelijk ingedeeld worden bij neutrale ph: Positief geladen zijketens Negatief geladen zijketens

4 Polair karakter deze hebben bij een neutrale ph geen lading maar wel een polair karakter. Het betreft hier de aminozuren met een N H; O H of S H binding. N, O en S trekken de elektronen sterk naar zich toe van waterstof af. De bovenstaande groepen hebben allemaal hydrofiele zijketens en zijn dus oplosbaar in water. Aminozuren met hydrofobe of apolaire zijketens kunnen dit niet en zullen in een eiwit dus meestal naar binnen steken. GABA heeft bijvoorbeeld ook een aminogroep en een carboxylgroep maar is geen aminozuur omdat deze twee groepen niet beiden aan C2 zijn gebonden. Aminozuren kunnen geclassificeerd worden op zuur of basisch, hycrofoob/hydrofiel en daarmee polair of niet polair. Hydrofobe aminozuren zijn per definitie niet polair, hydrofiele aminozuren zijn polair. Over het algemeen kun je wel stellen dat NH2 en OH groepen polaire groepen zijn. Een eiwit wordt in een bepaalde configuratie opgevouwen, deze opvouwing wordt bepaald door allerlei niet covalente bindingen zoals waterstofbruggen, ionische bindingen en van der waalsverbindingen. Daarnaast is de hydrofobiteit een rol die speelt bij de opvouwing van eiwitten, daar de hydrofobe delen vaak naar binnen keren. Elk eiwit kent één vrom van opvouwing die natuurlijk gebeurd: natieve structuur. Deze structuur is de vorm van opvouwing met de minste vrije energie en wordt alleen veranderd bij interacties met andere moleculen. De conformatieveranderingen zijn cruciaal voor de functie van het eiwit. Prion eiwitten zijn gevaarlijk omdat deze juist gevouwen eiwitten in de verkeerde conformatie keren. Ondanks dat eiwitten zelf in de juiste conformatie kunnen komen is het vaak zo dat moleculaire chaperonen helpen bij de conformatie. De uiteindelijke 3d strcutuur wordt desalniettemin toch bepaald door de aminozuurvolgorde. Het is nog niet mogelijk om puur uit de aminozuurvolgorde eiwit conformatie te herleiden wel zijn er twee vormingen van vouwen van aminozuren die vaak voorkomen en die af te leiden zijn uit de aminozuurvolgorde. Alpha helixen en beta sheets. Deze worden gevormd uit de waterstofbindingen in eiwitten tussen de NH en CO groepen. De aminozuurzijketens zijn niet betrokken bij de vorming van deze zijketens, en kunnen dus gevormd worden uit een tal van aminozuren. Een helix kan rechtshandig zijn of linkshandig afhankelijk van welke kant de structuur op draait. Delen van een eiwt met alpha helixen komen voornamelijk voor in celmembranen voor transport en receptoren. Een coiled ciol ontstaat als twee helixen om elkaar heen draaien en een zeer stabiele structuur vormen. Dit gebeurdt wanneer de helixen hun niet polaire delen aan één kant draaien, deze draaien naar binnen en de hydrofiele delen blijven buiten. Betasheets worden gevormd wanneer er waterstofbindingen worden gevormd tussen sgementen van de polypeptide. Hier heb je parallele en niet parallele varianten afhankelijk of de strengen naast elkaar in dezelfde of tegengestelde richting gaan.

5 Eiwitten kun je in primaire (aminozuurvolgorde), secundaire (alpha en beta), tertiare strcutuur (conformatie). Losstaand van bovengenoemde is het eiwit domein, wat een deel van het eiwit si wat afzonderlijk in een bepaalde conformatie kan zitten. De verschillende domeinen waaruit een eiwit bestaat is vaak geassocieerd met verschillende functies. Ondanks de vele mogelijkheden tot conformaties zijn er beperkte conformaties, de rest is niet nuttig en zijn dus ook uitgeselecteerd. Eiwitten kunnen ook op basis van families ingedeeld worden, waarbij delen van de aminozuurvolgorde gelijk zijn. Er zijn dus herhalende stukjes die in meerdere eiwitten voorkomen. Wel hebben ze verschillende functies. Op dezelfde wijze waarop eiwitten conformaties kunnen aangaan kunnen ook eiwitten onderling met elkaar binden waardoor grotere structuren ontstaan. Elk stuk wat kan binden heet een bindingsplaats. Proteïne kunnen heel verschillende vormen hebben en op die manier dus ook compleet verschillende functies. Enzymen hebben bijvoorbeeld een globulaire vorm, een ronde vorm. Andere eiwitten hebben echter een uitgerekte vorm, vezeleiwitten. de helische tunnel is bijvoorbeeld voor transport handig. Om de stabiele structuur van eiwtten te behouden worden ze vaak geholpen door sulfiede bindingen (S S). Deze bindingen worden gebruikt om bij trasnport de eiwitten stabiel in conformatie te houden maar veranderen de conformatie zelf niet. In het cytosol worden deze bindingen over het algemeen niet gevormd omdat daar deze bindingen direct weer worden afgebroken. Dit is echter neit echt nodig door de milde omgeving van het cytosol. Alle eiwitten binden uiteindelijk aan andere eiwitten, sommige sterke en sommige zwakke bindingen maar altijd met grote specificiteit. Een stof dat aan een eiwit gebonden wordt heet een ligand. Één enkele binding is altijd zwak, daarom zijn meerdere bindingen vereist om een goede binding te vormen. Alle eiwitten moeten aan hun specifieke liganden binden om hun functie uit te oefenen. De best ontwikkelde hiervan zijn de anitlichamen, wwaarbij ons lichaam de mogelijkheid heeft tot het maken van een antilichaam voor ekle mogelijk bedenkbare stof. De aminozuurvolgorde en lengte kan hiermee in tal van variaties veranderen zonder de basis structuur Y vorm van het antilichaam te veranderen.

6 Antilichamen zijn gebonden op B lymfocyten en wanneer deze binding aan een lichaamsvreemd eiwit kunnen ze ook meer van hetzelfde soort antilichaam maken. Dit is de basis voor vaccinaties. Antilichamen kunnen ook gebruikt worden om moleculen te zuiveren. 1. Immunoaffiniteits kolomchromatografie: hierbij heb je een buis vol antigenen,a lle moleculen kaan gewoon door de buis heen, behalve de moleculen die aan de antilichamen binden. Na een zogeheten wah kun je deze moleculen weer uit de buis vrijmaken. 2. Immunoprecipitatie: je gooit de antilichamen in een bak met moleculen. Na centrifugatie kun je de aan het antilichaam gebonden molecuul onderscheiden. 3. Microscopische detectie: gelabelde moleculen binden aan een antilichaam waardoor het antilichaam zichtbaar wordt onder de microscoop 4. Biochemische detectie: elektroforese wordt gebruikt om antigenen te scheiden van andere moleculen. Incubatie met de antilichamen labelen het antilichaam waardoor de positie duidelijk wordt. Ook als je eiwitten wilt bestuderen zul je ze moeten isoleren van de omgeving. Eerst zal je dus de cellen en de omgeving op gecontroleerde wijze kapot maken, waarbij met name het plasma membraan kapot gemaakt wordt: hge frequentie geluiden; detergent die gaten in het membraan maakt; door kleine ruimte persen; door een rotator in buisje te doen. Het soepje met moleculen wat je dan over houdt kun je scheiden zodat je alleen nog maar het eiwit hebt. Dit kan je op twee manieren doen: 1. Kolom chromotografie: eiwitten worden door een stof gepompt. Omdat elk eiwit verschilt in reactie met die stof zullen ze in verschillende snelheden door de stof heen komen. In verschillende buisjes op tijd kun je dan de verschillende eiwitten opvangen. Ze kunnen gescheiden worden op basis van hydrofobitiet, lading, grootte of de mogelijkheid tot andere stoffen binden. 2. Elektroforese: hierbij plaats je de eiwitmix op een gelplaat waar de eiwitten doorheen trekken. De snelheid hiervan wordt bepaald door de lading en de grootte van het eiwit. Op de gelplaat krijgt elk eiwit een andere positie en is precies te zien waar elk eiwit zich bevindt. Voor sommige eiwitten is binding de basis functie, andere eiwtten, enzymen, gebruiken dit echter als klein stapje in de functie. Deze versnellen andere reacties zonder dat hun eigen conformatie veranderd wordt. Ze werken vaak in teams, waarbij het product van de een het substraat voor de ander is. Ze verlagen de energie die nodig is om een reactie te laten plaatsvinden, veel van de reacties door enzymen zullen anders slechts bij zeer hoge temperaturen dus niet in het lichaam plaatsvinden. De bindingsplaats van het enzym vouwt het substraat ook zodanis dat de reacties het beste kunnen verlopen. Enzymen bevatten ook vaak cofactoren: kleine moleculen die in de buurt van het actieve centrum gebonden zijn en noodzakelijk voor de functie van het enzym. Deze cofactoren kunnen kleine metalen zijn of kleine organische moleculen (coenzymen, vaak afgeleiden van vitamines). Een enzym zonder cofactor wordt een apoenzym genoemd en na koppeling van een cofactor heet het een holo enzym. Wanneer de coenzymen stevig gebonden zijn aan het enzym heet het ook wel de prosthetische groep. de meeste enzymen bevatten echter een metaalion gebonden bij het actieve centrum, welke deelneemt aan de reactie.

7 COLLEGE 2 Niet levende dingen zullen zonder energieinput streven naar een hogere mate van wanorde entropie (S). Levende cellen echter genereren wel orde op elk niveau. Dit si mogelijk doordat cellen energie van de omgeving kunnen verkrijgen en deze opslaan in energie opgeslagen in chemische bindingen. De tendens van dingen om te streven naar een grotere staat van wanorde/ entropie is de tweede wet van thermodynamica welke zegt dat in een geisoleerde ruimte de entropie alleen maar kan toenemen. De hoeveelheid entropie in een systeem kan gekwantificeerd worden, Nu lijkt het dat cellen dus niet aan deze regel voldoen, dit is echter niet correcy. Cellen gebruiken energie om orde te creeëren. Warmte is de meest ongeordende vorm van energie. Cellen laten energie vrijkomen in de vorm van warmte, waardoor de orde in cellen gecompenseerd wordt door vergroting van entropie in de omgeving. De eerste wet van thermodynamica stelt dat energie omgezet kan worden van de ene vorm in de andere, maar dat het niet gecreeërd kan worden en ook niet kan verdwijnen. De omzetting van energie in de cel naar warmte is noodzakelijk omdat alleen dan voldaan kan worden aan de 2 e wet van thermodynamica. Planten gebruiken zonlicht als energie om de chemische verbindingen aan te maken (anders dan organische moleculen) en kunnen dus van inorganische materialen leven. Fotosynthese wordt gedaan met als input water, CO2 en zonlicht en omgezet naar suikers, O2 en warmteenergie. Om de energie in de bindingen vrij te maken is geleidelijke oxidatie nodig. Oxidatie slaat in dit geval niet alleen op de additie van zuurstof maar ook o de overdracht van elektronen. Oxidatie is dan het verwijderen van alektronen, reductie is het toevoegen van elektronen en gebeurd dus altijd tegelijk. De termen zijn al bruikbaar ook als er een gedeeltelijke shift van elektronen is bij bijvoorbeeld een covalente binding. Het oppikken van een elektron gaat vaak gepaard met het oppikken van een proton. Daarom worden reducties ook wel hydrogenaties en oxidaties dehydrogenaties genoemd. Enzymen worden gebruikt om deze in kleine stappen uit te voeren. C atomen in een C O verbinding zijn dus geoxideerd (de o trekt harder aan de elektronen) en in een CH binding gereduceerd. Warmte die uitgestraald wordt wordt ook wel vrije energie genoemd. Reacties zullen alleen plaatsvinden als de hoeveelheid vrije energie groter wordt (en dus de entropie). Deze reacties worden dan energetisch favoriet genoemd. wanneer je een reactie wilt laten verlopen die naar een kleinere hoeveelheid vrije energie gaat heb je energie input nodig. Dit heet de activatie energie, wat in levende wezens vaak gebracht wortd door enzymen. Enzymen houden in dit geval het substraat zodanig dat de activatie energie sterk verlaagd wordt, wanneer dit gebeurd heet het enzym ook wel een katalysator. Zonder enzymen zou het leven niet mogelijk zijn. Enzymen kunnen niet een energetsich infavoriete reactie spontaan laten verlopen, in plaats daarvan koppelen ze een favoriete reactie (negatieve delta G) aan een niet favoriete reactie (positieve delta G). De delta G hangt niet alleen af van de hoeveelheid vrije energie die vrijkomt maar ook van de concentratie van de stoffen. De formule om de delta G te berekenen hangt dus af van de standaard delta G (ΔG ) van de reactanten en de concentraties van X en Y. De standaard delta G is gelijk aan de gevonden delta G wanneer de concentraties van X en Y precies gelijk zijn. ΔG = ΔG + 0,616 ln (X/Y). Het getal 0,616 is een constante welke afhangt van de gasconstante en temperatuur (37C) Een chemisch equilibrium vindt plaats wanneer de reactie heen en terug precies gelijk aan elkaar zijn (staat dus niet stil!!!) K wordt hierbij aangeduidt met het equilibrium constante welke afhangt van de concnetraties. K = X/Y. Wanneer twee reactanten samen een eindproduct vormen blijven deze regels hetzlefde, alleen is K dan afhankelijk van X, Y én XY. Omdat K direct van invloed is op de reactie wordt het ook wel als een maat gezien voor de bindingssterkte van de reactanten. Het equilibrium wordt ook groter zodra de bindingsenergie groter wordt en dus het verschil in vrije energie groter wordt. De totale formule wordt hiermee dus ΔG = ΔG + 0,616 ln K.

8 Voor opeenvolgende reacties is de totale som van de vrije energie van de afzonderlijke reacties optelbaar. Hiermee is koppeling van verschillende reacties mogelijk en een positieve delta G koppelen aan een grotere negatieve delta G zal de reactie toch laten verlopen ongeacht dat ed tussenstap energetisch infavoriet is. Hier zijn enzymen voor nodig. In de cel wordt ook constant gebruik gemaakt van dit principe waarbij een positieve delta G aan een negatieve gekoppeld wordt. Activated carrier moleculen helpen hierbij doordat ze energie opslaan in een uitwisselbare vorm (chemische groep of elektronen), NADH, ATP en NADPH zijn hier belangrijke voorbeelden van. Enzymen zorgen ervoor dat een groot deel van de vrije energie in plaats van als warmte vrij te komen opgeslagen wordt in een nuttige vorm, in dit geval in carrier moleculen. De belangrijkste carrier is ATP waarbij een rijke fosfaatbinding is. Waar nodig kan ATP deze energierijke verbinding opgeven door koppeling aan een andere reactie (fosforylatie). Andere belangrijke carrier moleculen zijn FADH2, NADH, NADHP en acetylcoa. Wanneer deze moleculen een H bevatten worden ze ook wel hydride ionen getermd. NADPH wordt veel gebruikt bij anabolische reacties, terwijl NADH juist gebruikt wordt bij catabolische reacties waarbij uiteindelijk ATP gegenereerd wordt. Hierdoor is de ratio van NADH (NAD+ oxiderende agent voor caatbolische reacties) laag terwijl de NADPH (oxiderende agent voor anabolische reacties) hoog is. Acetyl CoA, bevat een acetylgroep: NADH NAD+, bevat elektronen en waterstofatomen. ATP bevat een fosfaatgroep

9 FADH2 elektronen en waterstofatomen De cel bevat een groot aantal macromoleculen, welke gevormd worden uit monomeren, door middel van een condensatiereactie (afsplitsing water). Afbreken van polymeren geschiedt dus ook door de additie van water. Hydrolyse is energetisch favoriet, consensatie kost energie. Hiervoor wordt hydrolyse van ATP gebruikt om de energie te leveren. COLLEGE 3 Er zijn veel meer enzymen dan basisreacties in de cel, dit komt omdat een enzym hoog specifiek is. Voor één reactie kunnen meerdere enzymen nodig zijn, omdat de restgroepen die deelnemen aan de reactie verschillend zijn. Enzymen worden geklassificeerd op basis van het reactietype dat ze katalyseren. Elk enzym krijgt zo 4 cijfers achter de naam. Om te illustreren hoe enzymen reacties katalyseren wordt het voorbeeld van lysozym gebruikt. De reactie gekatalyseerd door dit enzym betreft een hydrolyse reactie, de additie van een water molecuul aan een binding tussen twee suikers waardoor de binding gebroken wordt. Lysosym zorgt ervoor dat de moleculen in een zodanige positie transitie staat komen dat de activatie energie sterk verlaagd wordt (normaal in water gebeurd er niets) en de reactie mogelijk wordt. Enzymen vinden hun substraten doordat de moleculen door warmte energie in constante beweging zijn. Ze bewegen dus door de cel, diffusie. diffusie werk echter alleen voor hele kleine afstanden, omdat de tijd die nodig is om afstanden af te leggen met het kwadraat omhoog gaat per eenheid in afstand. Voor grotere afstanden is energie nodig. Dat het binnen in een cel heel druk is maakt niet uit. Enzymen en macromoleculen bewegen daarentegen heel langzaam, zitten bijna stil. De snelheid van een enzymfunctie hangt dus af van het substraat, de concentratie, en niet het enzym zelf. Vmax is de maat voor hoe snel een enzym werkt. Dit is dus het moment dat alle enzymen in de cel bezet zijn en de snelheid waarmee gereageerd wordt zodat er een nieuw enzym gebonden kan worden is

10 Vmax. Zoals net gesteld is de concentratie van een substraat ook belangrijk voor de snelheid omdat deze bepaald in hoeverre er bindingen plaatsvinden. Km is de maat voor de substraatconcentratie waarbij de maximale snelheid Vmax de helft is. Dus ½ Vmax Km. Een lage Km waarde indiceert dat de substraatbinding vrij sterk is (er is minder concentratie nodig om het enzym halve snelheid te laten werken,d it door langere binding). Het is belangrijk je te realiseren dat wanneer een enzym de activatie energie van X Y verlaagd, deze ook Y X bevordert met precies dezelfde hoeveelheid. De voorwaartse en terugwaartse reacties tussen deze stoffen zullen dus evenredig beïnvloedt worden door het enzym en om die reden dus ook ΔG van een reactie onveranderd laten. NB: enzymen veroorzaken geen reacties maar versnellen ze, dit kan echter zo hoog zijn dat het lijkt dat enzymen reacties veroorzaken. Wanneer er lage concnetraties van substraat zijn is de snelheid van het enzym nagenoeg evenredig met de concentratie. Wanneer deze hoger wordt is dit echter niet meer zo, er zit een bepaald maximum aan. Verder zagen Michaelis en Menten een simpel model in de enzym kinetiek. Hierbij stelden ze dat een enzym en een substraat een ES complex vormt. Dit complex kan weer een product vormen en een vrij enzym: Hieruit wordt aangenomen dat een product niet terugreageert tot het substraat. Als aan deze voorwaarde wordt voldaan is met de volgende formule de enzymsnelheid te bepalen: Deze formule is ook simpel in een grafiek uit te zetten: De michaelis constante (Km) duidt in dit geval op die substraatconcentratie waarbij de snelheid van het enzym op de helft van het maximum is. De Km is dus een maat voor de affiniteit van een enzym voor zijn substraat, waarbij een hoge Km een lage affiniteit betekent. Zoals je uit bovenstaande grafiek kunt zien betreft het hier een hyperbool die lastig nauwkeurig te tekenen is. Een rechte lijn kan van deze grafiek gemaakt worden door aan beide kanten het omgekeerde, reciprook, te nemen. Deze grafiek die je dan krijgt heet de lineweaver burkplot.

11 Enzymen kunnen geremd of geactiveerd worden door moleculen. Remmers verlagen de enzymactiviteit of stoppen deze zelfs helemaal, activatoren stimuleren de activiteit (vaak producten van metabolisme en dus belangrijk in het lichaam). De remming van enzymen kan zowel reversibel als irreversibel zijn, waarbij bij irreversibele remming het enzym voorgoed onwerkzaam is. Wat betreft de reversibele remmingen kennen we twee varianten: competitief en niet competitief. Bij competitief gaat de remmer op de plaats van het substraat zitten waardoor het substraat niet meer kan binden en dus de werking van enzym verloren gaat. Het verlaagt dus de reactiesnelhied omdat minder enzymen beschikbaar zijn voor binding. Wanneer men een overmaat aan substraat teodient kan deze vorm van remming teniet gedaan worden, de kans verhoogd namelijk dat er toch substraat bindt. Bij niet competitieve remming bindt de inhibitor zowel het kale enzym als het substraat enzym complex. De maximale reactiesnelheid wordt daardoor verlaagd, maar het toevoegen van een overmaat aan substraat kan dit niet verhelpen. Dit komt omdat als het substraat gebonden wordt deze ook in de inactieve vorm EIS (enxym inhibitor substraat) gebonden kan zijn. Eveneens veranderd deze vorm van remming ook niet de affiniteit van het enzym voor zijn substraat en blijkft Km gelijk.

12 Veel eiwitten hebben voor hun functie een covalent gobonden groep nodig die niet uit aminozuren bestaat (zo is dat heam bij hemaglobine). Deze groep wordt dan de prosthetische groep genoemd welke ook enzymen nodug kunnen hebben, zoals FAD bij redoxenzymen. Vele van deze groepen zijn afgeleiden van vitaminen. De enzymen kunnen ook stoffen nodig hebben die niet zozeer aan het enzym gebonden zijn maar vrij in de cel voorkomen, voor enzymen zijn dit coenzymen, waarvan NAD+ een goed voorbeeld is. Cofactoren zijn de metaalionen die enzymen nodig hebben voor hun functie. Deze cofactoren en coenzymen zijn belangrijk bij de regulatie van enzymfunctie omdat deze de enzymsnelheid en functie mede bepalen. Zeer belangrijk is metabolisme. De regulatie van enzymen gebeurd ook op verschillende niveaus: 1. Hoeveelheid enzymen. 2. Enzymen op bepaalde locaties plaats laten nemen 3. Enzymactiviteit bepalen door hoeveelheden substraat en product. (feedback inhibition). Naast inhibitie is het ook mogelijk om juist de activiteit te stimuleren. Vaak zijn meerdere stoffen uit meerdere metabole paden van invloed op het enzym. COLLEGE 4 Niet alle enzymatische reacties kunnen met behulp van het michaelis menten model verklaard worden. Een belangrijke groep met afwijkende kinetiek is die van de allostere enzymen. In plaats van een hyperbole curve levert deze groep een sigmoïdale (S vorm) curve op.

13 Allostere enzymen bevatten een aantal kenmerkende eigenschappen. Ze hebben meerdere bindingsplaatsen waarbij de binding op één plek de vorm van de andere bindingsplaats veranderd. Deze conformatieverandeirng zou de binding van substraat op de andere plek kunnen vergemakkelijken. We kunnen ons dit enzym voorstellen in twee vormen, de tense (T) en de relaxed (R) vorm, waarbij de binding van een substraat in de R vorm makkelijker is dan in de T vorm. Binding van een substraat op één plaats kan het gehele enzym van de T naar de R vorm veranderen waardoor de substraatbinding voor een ander enzym vergemakkelijkt. Eveneens kan de activiteit van het enzym veranderd worden door bindingen van andere stoffen op andere plaatsen in het enzym dan de bindingsplaats en zo de affinitiet beinvloeden. Je kunt dus allostere remmers en allostere acitvators krijgen. Remmer = Tvorm; activator = Rvorm. Deze stoffen worden effectoren genoemd.

14 links is activator, rechts is inhibitor. Met name in het matabolisme, waarbij regulatie heel belangrijk is, zien we voornamelijke allosterische enzymen. Een andere manier van conformatieveranderingen bij eiwitten op gang brengen is door middel van fosforylering of defosforylering. Omdat elke fosfaatgroep twee negatieve ladingen bevat kan dit een enorme conformatieverandeirng als gevolg hebben, door de toetrekking van positief naar negatief. Ook deze vorm van controle van enzymen komt veel in ons lichaam voor. Kinase is het eiwit die de binding van een fosfaatgroep bevordert, fosfatase zorgt juist voor afsplitsen van de fosfaatgroep. De staat waarin een eiwit verkeerd hangt dus af van de hoeveelheden kinase en fosfatase. Bij binding van een fosfaatgroep vernaderd de conformatie, maar bij afsplitsing keert deze weer terug in de oude staat. De circulatie waarmee de fosforylering en defosforylering plaatsvindt gebeurd hele snel om zo adequaat op prikkels te kunnen reageren. De energie die nodig is komt van ATP en het eiwit inactief maken kost dus energie. GTP dient als andere brandstof die leidt tot conformatievernaderingen door fosforylering. GTP bindt vaak op eiwitten belangrijk bij de signaal en communicatie in een cel. Waarbij dus aanbinding van een fosfaatgroep ook het eiwit inactief maakt. Het al dan niet binden van GTP wordt ook gereguleerd door communicatieprocessen. Conformatieveranderingen zorgen echter ook voor andere belangrijke dingen in de cel. Zo kunnen deze ervoor zorgen dat motoreiwitten grote bewegingen kunnen aansturen en andere moleculen kunnen verplaatsen. Echter, hierbij is het wel belangrijk dat deze beweging gecoödrineerd wordt, anders zou de beweging in evenwicht geraken en dus evenveel vooruit als achteruit wat dan geen zin heeft. ATP biedt de energiebron om deze thermodynamische regel te omzeilen. Door de ATP binding kunnen de bewegingen gecontroleerd worden. Voorbeelden van motorproteïnen die zo werken zijn myosine (spiermotor eiwit) en kinesine (chormosoom beweging tijdens mitose). Deze manier van beweging kan ook in grotere eiwitcomplexen plaatsvinden waardoor de mogelijkheden zeer complex en uitgebreid worden.

15 COLLEGE 5 De primaire functie van biologsiche membranen is het handhaven van een evenwicht aan weerszijden van het membraan. De lipide bilaag vormt de basis van de celmembraanstrcutuur. Elke lipide heeft een hydrofiele kop en een hydrofobe staart. Fosfolipiden vormen de meest voorkomende lipide in de celmembraan, waarvan fosfoatidylcholine daarvan weer het meest voorkomend is. Dit molecuul heeft aan de fosfaatgroep een choline molecuul gebonden, en twee hydrokoolstof ketens als staarten. De staarten komen origineel van vetzuren. Moleculen die een hydrofoobe n hydrofiel deel hebben worden amfipathisch genoemd. Andere delen in de cel zoals cholesterol zijn ook amfipathisch. Nu kunnen deze stoffen in een vlak gaan zitten waarbij het aantal connecties van hydrofobe delen met water beperkt wordt. Een lipide bilaag die we in celmembranen terug vinden is echter de ideale oplossing voor de twee delen van de fosofolipide waarbij een bol gevormd wordt. Deze manier van conformeren is energetsich favoriet en kost dus geen energie om te onderhouden. Wanneer er een scheur komt in deze laag is dit energetisch infavoriet en zullen alle moleculen weer in dezelfde bilaag terug conformeren, wat de minste energie kost. Daarom heeft het membraan een zelfherstellend vermogen. Ook als de scheur heel groot is herstelt het membraan zich waarbij mogelijk kleinere vesicles worden gevormd. Ondanks dat de membranen altijd in de conformatie zullen blijven (bolvorm, ze buigen niet) is het wel degelijk zo dat de onderlinge lipiden in het membraan bewegen. Dit gebeurd dan wel binnen een 2d vlak, overspringen tussen de twee lagen gebeurt zelden, flip flop. De lipiden roteren ook nog eens snel om hun eigen as en de staarten zijn er flexibel. Deze bewegingen houden de membraan vloeibaar, wanneer de temperatuur een daarmee de beweging daalt, daalt ook meteen de vloeibaarheid van het celmembraan. De vloeibaarheid van het membraan is uiterst belangrijk voor de functie en moet binnen bepaalde grenzen gehouden. Een andere factor die ook uitmaakt hoe vloeibaar het membraan is, is de compositie van de staarten. Hoe dichter deze op elkaar gepakt zijn hoe minder vloeibaar het membraan is. Hoe de staarten op elkaar geplakt worden is weer afhankelijk van twee dingen: de lengte en de verzadiging van een vetzuur. De lengte is van invloed omdat kortere ketens minder de tendens vormen om met elkaar te interacteren. Hierdoor wordt de vloeibaarheid van het membraan vergroot. Wat betreft de verzadiging is een onverzadigd vetzuur minder rijk aan protonen en betreft dus een dubbele binding. Deze dubbele binding is niet flexibel en veroorzaakt een knik in de staart.

16 Dit maakt het lastiger om strak op elkaar te plakken en verhoogd dus de vloeibaarheid van het membraan. Bacteriecellen zijn vrij goed in de vloeibaarheid van de membranen constant te houden bij wisselende omstandigheden. Bij dierlijke cellen is cholesterol hier van invloed op. Zij vullen de ruimte op die tussen de fosfolipiden in het celmembraan ontstaan door onverzadigde vetzuren. Hierdoor wordt de vloeibaarheid van het membraan minder en het membraan dus versterkt. Membraanvloeibaarheid is echter zeer belangrijk voor de functie van het mebraan: 1. Het zorgt ervoor dat membraan eiwitten makkelijk doro het membraan kunnen diffuseren 2. Het maakt het mogelijk voor membranen samen te smelten. 3. Het zorgt ervoor dat membraan moleculen eerlijk verdeeld worden tussen dochter cellen. Celmembranen zijn over het algemeen assymmetrisch, waarbij de binnenkantmembraan van de cel (cytosollische zijde) er heel anders uit ziet dan de buitenkant. Dit komt door de enorme verschillen in glycolipiden en fosfolipiden gebruik. Tevens zijn de eiwitten die in het membraan vastzitten verschillend aan de binnen en buitenzijde. De assymetrie wordt al vastgesteld bij de formatie van de fosfolipiden door eiwitten gebonden aan de cytosollische zijde van het membraan van het ER. Deze gebruiken vetzuren als substraat voor de formatie van fosfolipiden en deze worden dan vervolgens in de cytosollische zijde van het mebraan vrijgelaten. Een deel van deze nieuwe gevormde fosfolipiden worden met behulp van flippase naar de andere zijde van het membraan overgebracht. Deze flippase kan selectief op bepaalde fosfolipiden reageren waardoor ook specifiek deze fosfolipiden in een van beide zijden worden geplaatst. Een ander mechanisme zorgt voor de overdracht van met name glycolipiden naar de extracellulaire zijde van het membraan. Het nieuwe membraan wat in het intracellulaire compartement van het ER gevormd wordt zal getransporteerd moeten worden naar andere mebranen om deze bij te werken. Dit gebeurd door middel van het vormen van vesicles welke vervolgens in een ander membraan gecorporeerd worden. Eiwitten spelen in het mebraan een belangrijke rol. Deze zijn vele groter dan lipiden. Deze eiwitten kunnen vastzitten aan het membraan op verschillende manieren. Ze kunnen door het membraan heen zitten (transmembraan), met een deel in de bilaag vastzitten (mebraan geassocieerd), aan een lipide van de bilaag vastzitten (lipide gelinkt) of aan een ander eiwt wat aan het membraan vastzit zitten (eiwit gebonden.) eiwitten die direct aan het membraan vastzitten kunnen alleen loskomen door het membraan aan te tasten en heten dan ook integrale membraan eiwitten. De rest is perifeer. COLLEGE 7 Stofwisseling en metabolisme duidt op de processen die cellen gebruiken om zichzelf in stand te houden (opbouw en reparatie) en energie uit voedselmoleculen halen.

17 De belangrijkste energiebron voor cellen zijn de suikers. De hoge energiebindingen die in suikers zitten worden vrijgemaakt door oxidatieprocessen. De suikermoleculen worden afgebroken uiteindelijk tot CO2 en H2O samen met hoge energieverbindingen die opgeslagen worden in bijvoorbeeld ATP en NADPH. De oxidatie van suikers vind in een hoog gecontroleerde volgorde plaats waarbij gebruik gemaakt wordt van enzymen. De carrier moleculen zorgen ervoor dat energie tijdelijk opgeslagen of getransporteerd kan worden om vervolgens op de juiste locatie en het tijdstip gebruikt te worden. Dierlijke cellen maken ATP op twee manieren. In de eerste stap worden door enzym gekatalyseerde reacties direct gekoppeld aan de energetisch infavoriete reactie: ADP + P > ATP. In een andere stap die plaats vind in de mitochondria wordt de energie van carrier moleculen gebruikt om ATP te vormen. Voedselmoleculen worden in 3 verschillende stadia afgebroken, katabolisme. Belangrijk bij voedselafbraak is dat de processen hierbij betrokken de voedselmoleculen afbreken maar niet de essentiële macromoleculen in onze cellen. 1. Extracellulair en cytosol: Om te voorkomen dat lichaamseigen macromoleculen worden afgebroken vind stap 1 plaats buiten de cel of in speciale lisosomen, waarbij het lisosoom membraan de enzymen scheidt van het cytosol van de cel. Verteringsenzymen breken de polymeren op in monomeren. Hierna komen deze delen binnen in het cytosol waar de oxidatie begint. (geen energie productie) 2. Cytosol en mitochondrium: Hier vinden een aantal opeenvolgende stappen plaats, glycolyse, waarbij elk glucose molecuul wordt omgezet in twee pyruvaat moleculen. Bij deze vorming worden twee carrier moleculen geproduceerd: ATP en NADH. Vervolgens wordt de pyruvaat naar het mitochondrion getransporteerd, waarbij CO2 en een tweekoolstof acetyl groep. Deze acetylgroep bindt vervolgens aan een coenzym (CoA) waardoor acetyl CoA wordt gevormd. (matige energie productie, ATP) 3. Mitochondrium: de acetylgroep van acetyl CoA is verbonden door een hoog energetische verbinding en daarom makkelijk transporteerbaar naar andere moleculen. De acetylgroep vervolgd een aantal reacties die samen de citroenzuurcyclus genoemd worden. De acetylgroep is uiteindelijk tot NADH en CO2 afgebroken. De NADH wordt uiteindelijk langs een elektrontransportketen gedaan (mitochondrium inner membraan) waarbij energie geproduceerd wordt in de vorm van ATP en O2 gebruikt wordt. Het proces waarbij ATP geproduceerd wordt in de elektrontransport keten heeft oxidatieve fosforylering. De gevormde ATP verlaat vervolgens het mitochondrium en gaat het cytosol in. (hoge energie productie). De helft van de energie die in theorie gevormd zou kunnen worden uit de afbraak van glucose of vetzuren wordt gebruikt om energetisch minder aantrekkelijke reacties te volstaan, ADP + P > ATP. De rest wordt vrijgelaten als warmte. Dit lijkt weinig maar het rendement van een auto is selchts 20% en die van een cel dus 50%.

18 Nu gaan we iets verder in op de afbraak van één soort molecuul, glucose in de glycolyse. Glucose pyruvaat Glycolyse in het cytosol produceert ATP zonder dat hier zuurstof bij nodig is. Tijdens de glycolyse wordt één glucose molecuul afgebroken tot 2 pyruvaat moleculen. Tijdens de glycolyse worden eerst 2 ATP gebruikt voor de eerste stappen, maar later worden er 4 geproduceerd. De nettowinst van glycolyse is dus 2 ATP. De glycolyse bestaat uit 10 verschillende stappen en alle enzymen die meedoen aan de glycolyse hebben een naam die eindigt op ase.

19 Ongeacht dat er geen zuurstof nodig is bij de glycolyse vindt er toch oxidatie plaats door afsplitsing van elektronen door NAD+ waarbij NADH gevormd wordt. (bekijk panel 13.1 op p. 432 Alberts) Oxidatie is een chemisch proces waarbij een stof (de reductor) elektronen afgeeft aan een andere stof (de oxidator) waarbij het oxidatiegetal van de reductor toeneemt. Vroeger definieerde men een

20 oxidatie als een reactie met zuurstof. Voorbeelden zijn roesten en verbrandingsreacties. Het proces ontleent zijn naam dan ook aan het woord oxygenium, de Latijnse naam voor zuurstof. Zuurstof hoeft nochtans niet per se betrokken te zijn in een oxidatie. Een voorbeeld : Fe 2+ Fe 3+ + e Fe 2+ is hier de reductor. Het staat één elektron af en wordt daarbij geoxideerd tot Fe 3+. Met een oxidatie gaat altijd een reductie gepaard. De afgestane elektronen moeten immers opgenomen worden door een andere stof (de oxidator), die dus gereduceerd wordt. Het geheel (oxidatie en reductie samen) noemt men een oxidatie reductiereactie of redoxreactie. De glycolyse is voor de meeste cellen slechts het begin van de volledige glucose afbraak. Pyruvaat wordt namelijk in de mitochondriën verder afgebroken tot acetyl CoA en in de Krebcyclus verder tot CO2 + H2O. Glycolyse is echter wel de belangrijkste bron van energie voor cellen zonder mitochondriën (rode bloedcellen) en tijdens gebrek aan zuurstof. Onder deze anaerobe omstandigheden blijven pyruvaat en NADH elektronen in het cytosol. Het pyruvaat wordt geconverteerd in stoffen die buiten de cel zullen treden zoals Lactaat en Ethanol. NADH wordt tijdens dit proces teruggevormd tot NAD+ wat noodzakelijk is de cyclus draaiende te houden (NAD+ is grondbenodigdheid voor glycolyse). Anaerobische energieproducerende reacties als deze heten fermentaties. De vorming van lactaat (dieren) of ethanol (gisten en bacteriën) is dus noodzakelijk om het beginproduct van de glycolyse (NAD+) te kunnen vormen uit NADH. Hieronder volgen alle 10 de stappen van de glycolyse. Stap 1, fosforylering van Glucose: Stap 2, isomerisatie: Stap 3, tweede fosforylering, belangrijkste snelheidsregulerende stap in de glycolyse.

21 Stap 4: splitsing in twee 3 C atoom moleculen Stap 5: dihydroxyacetonfosfaat wordt geïsomeriseerd tot glyceraldehyde 3 P. Hierdoor kan ook dihydroxyacetonfosfaat verder in de glycolyse, zie vetzuur synthese en gluconeogenese voor verder vervolg van deze stap!!!! Stap 6: begin van energie productie, oxidatie van twee glyceraldehyde 3 P

22 Stap 7: transfer van high energy P naar ADP ( fosfoglyceraatkinase Stap 8: andere fosfaat verplaatst naar C2. fosfoglyceraat mutase Stap 9: afsplitsing van water, vorming nieuwe high energy fosfaat binding! Stap 10: vorming pyruvaat enolase pyruvaat kinase Totale glycolyse: glucose 2 pyruvaat + 2 NADH + 2 ATP Niet veel, maar glycolyse levert wel degelijk ATP (2) op, wat gebeurt in stap 6 en 7 van de glycolyse. Hoe dit gebeurt is in woorden lastig uit te leggen. Lees hiervoor p435, 436 en 437 door. In stadium 3 van Katabolisme wordt de meeste energie geleverd, bij zowel de afbraak van koolhydraat als van vetten. De krebcyclus speelt hier een belangrijke rol bij en zuurstof is noodzakelijk voor dit proces. Het speelt zich af in de mitochondriën. 1. De pyruvaat wordt snel afgebroken door een drietal enzymen, samen de pyruvaat dehydrogenase complex. De producten hiervan zijn: CO2, NADH en acetyl CoA. 2. Ook vetzuren worden op soortgelijke wijze afgebroken tot Acetyl CoA, samen met NADH en FADH2 productie. 3. De meeste energie die ontrokken wordt uit bovenstaande processen blijven opgeslagen in de Acetyl CoA verbinding en wordt pas afgebroken in de citroenzuur (Kreb) cyclus.

23 COLLEGE 8 Rode bloedcellen en hersencellen zijn afhankelijk van glucose voor hun energie. Indien het leverglycogeen opraakt moet glucose ook geproduceerd kunnen worden. Het zou te verwachten zijn dat simpele omkering van de glycolyse hierin een oplossing biedt, dit is echter niet correct omdat er in de glycolyse 3 onomkeerbare reacties zijn (stap 1, 3 10). Vet kan niet worden omgezet in glucose. Ook worden overgebleven aminozuren uit de voeding nooit als eiwitten opgeslagen die vervolgens gebruikt kunnen worden voor glucose productie. Deze aminozuren worden opgeslagen als vet en glycogeen of directe ATP productie. Hersenen kunnen Ketonlichamen gebruiken om glucose van te produceren, rode bloedcellen kunnen dit door gebrek aan mitochondriën echter niet. Een proces, gluconeogenese, biedt uitkomst voor dit probleem. De grondstoffen voor gluconeogenese bestaan uit de eiwitten van spierweefsels. Deze eiwitten worden geconverteerd in alanine en glutamine welke vervolgens in het bloed vrijomen. Alanine wordt door de lever opgenomen voor gluconeogenese en glutamine wordt gebruikt als brandstof voor de dunne darm en door de nier gebruikt voor gluconeogenese. Gluconeogenese is het proces waarbij Glycerol, aminozuren en lactaat omgezet worden tot glucose. Het vind voornamelijk plaats in het cel cytosol en een klein gedeelte in de mitochondria. Sommige stappen van de glycolyse worden tijdens de gluconeogenese simpelweg omgedraaid. De 3 onomkeerbare stappen moeten worden omzeild tijdens de gluconeogenese. (bekijk figuur 5.19 LIM) Zoals uit bovenstaande blijkt zijn alleen de nier en de lever in staat tot gluconeogenese, omdat slechts deze organen de 4 juiste terugweg enzymen bevatten!!! a. Omdat de uit pyruvaat gevormd oxaalacetaat niet door de mitochondria membranen kunnen moet het worden omgezet in malaat. Biotine is hier een belangrijke cofactor voor. b. Decarboxylatie van oxaalacetaat gebeurd met behulp van PEP carboxykinase. c. Hydrolyse van fructose 1,6 bifosfaat omzeild de onomkeerbare PFK reactie van de glycolyse. Fructose 1,6 bifosfatase. d. Hydrolyse van glucose 6 fosfaat omzeild de onomkeerbare hexokinase reactie van de glycolyse. (deze actie is uniek voor de lever omdat deze als enige het enzym glycose 6 fosfatase bevat. e. Proprionaat wordt bij herkauwers als enzym voor gluconeogenese gebruikt! De regulatie van gluconeogenese vind plaats door twee vormen van controle. 1. Hormonale controle: De hoge levels tijdens vasten van glucagon, cortisol en adrenocorticotrophic hormone (ACTH) zorgen voor activering van gluconeogenese en remming van glycolyse. 2. Allosterische controle: Tijdens het vasten zijn er hoge levels van acetyl CoA, welke pyruvaat carbozylase activeren. Dit stimuleert weer de gluconeogenese, en remt de activiteit van pyruvaat dehydrogenase. Hierdoor zal de pyruvaat eerder de gluconeogenese dan verdere krebcyclus. Ook een verhoogde concentratie van alanine en glutamine zorgen voor een verhoogde activiteit in de gluconeogenese. Hoge concentratie cortisol zorgt voor losmaken van spiereiwitten. De afbraak (katabolisme) van glucose levert minder energie op (2 ATP) dan de aanmaak (anabolisme) door gluconeogenese kost (6 ATP). Het klinkt dus onlogisch dat gluconeogenese een zinvolle reactie is. Eveneens is er een probleem dat er voor de gluconeogenese kennelijk energie nodig is, maar deze kan niet uit de glycolyse komen (er is een glucose tekort en glycolyse is erg geremd). Dus omdat het energetisch niet handig is en door remmingen niet mogelijk wordt de energie voor gluconeogenese niet uit glucose gehaald maar uit glycogeen en vet (welke dan eerst naar glycogeen wordt omgezet). In planten is dit zetmeel. Vet heeft een veel grotere opslagcapaciteit dan glycogeen in de lever en fungeert dus als voornaamste energiebron voor gluconeogenese. Glycogeen is een snel mobiliseerbare vorm van glucose, een vertakt polymeer van glucose eenheden. Het wordt in de vorm van ganulae in het cytoplasmatische deel van de cel opgeslagen. De glucose eenheden zijn in een 1 4 of 1 6 verbinding gebonden.

24 Er zijn voordelen aan deze manier van bindingen. Ten eerste zijn er meerdere uiteinden dus meerdere plaatsen waarbij de enzymen kunnen beginnen met de afbraak. De afbraak kan dus sneller gaan. Tevens is deze vorm van binding beter oplosbaar. Glycogeen wordt in 3 stappen gesynthetiseerd en vind plaats in het cytosol. Het proces heeft een aantal benodigdheden, 3 enzymen, glucose donor (UDP), een primer voor initiatie, energie. 1. Vorming van UDP glucose uit glucose 1 fosfaat en UTP (UDP glucose fosforylase). 2. Verlenging van de keten door UDP glucose. Hierbij verplaatst glycogeen synthase de glucosylgroep naar de C4 positie. Dit kan alleen gebeuren bij een bestaand glycogeen molecuul van ten minste 4 glucosen, synthese kan dus niet geinitieerd worden, hiervoor is een primer nodig (glycogeen fragment of glycogenine). 3. Introduceren van vetrakkingen vindt plaats door een enzym amylo(1,4 >1,6)transglycosylase. Dit proces kan beginnen bij een glycogeenlengte van 11 glucosen, waarbij meestal 7 glucosen verplaatst worden van het C4 uiteinde naar het C6 uiteinde. Het punt van een nieuwe vartakking moet ten minste 4 glucosen weg zijn van een oudere vertakking. De afbraak van glycogeen is iets simpeler, en vind dan ook in twee stappen plaatsn in het cytosol. 1. Verkorting van de glycogeen keten. Dit vind plaats met behulp van glycogen fosforylase welke ook nog PLP nodig heeft als cofactor. De 1 4 verbindingen worden in volgorde afgesplitst in de vorm van glucose 1 fosfaat. De geproduceerde glucose 1 fosfaat kan omgezet worden naar glucose 6 fosfaat met behulp van fosfoglucomutase voor verder gebruik in de glycolyse of gluconeogenese. Dit proces stopt wanneer een vertakking bereikt is. 2. Het verwijderen van de vertakkingen vereist twee enzymen. Allereerst zet een transferase de vertakking van 3 glucose moleculen aan een andere vertakking, waarna vervolgens door middel van hydrolyse amino alpha 1,6 glucosidase de overige 4 glucose moleculen vrijmaakt. Samen maken deze enzymen de vertakkingen ongedaan waarna glycogen fosforylase de lineaire ontstane structuur verder kan afbreken tot er weer een vertakking tegenkomt. Dan begint het hele riedeltje opnieuw. Een klein deel van de glycogeen afbraak vindt plaats in lisosomen met behulp van alpha 1,4 glucosidase (maltase). Glycogeen opslag behoeft de voorkeur ten opzichte van glucose opslag door de oplosbaarheid en de snelle bereikbaarheid van glycogeen. Glycogeen is eveneens belangrijk voor de homeostase.

25 Wanneer je glycogeen afbreekt en pyruvaat maakt win je hiermee 3 ATP, want de eerste stap van de glycolyse welke 1 ATP kost is al gedaan (glucose naar G 6 P). Het lijkt dus gunstiger dan simpele glucose afbraak welke netto 2 ATP oplevert. Dit is echter niet waar want de incorporatie van 1 glucose kost 2 ATP (in het schema UTP, welke gelijk is aan ATP). Je moet dus 2 ATP investeren en krijgt er 3 terug, de netto winst is dus 1 ATP. Bij normale glycolyse is dit 2 ATP dus deze is efficiënter dan glycogeen opslag. Toch gebeurt dit wanneer er teveel glucose is omdat anders de energie in z n geheel als warmte vrijkomt en je er dus niks aan verdiend. COLLEGE 9 Naast ATP is er ook een andere vorm van energie nodig die door cellen wordt aangemaakt: reducerend vermogen (het vermogen an moleculen tot reductie reactie). Deze vorm van energie is nodig voor synthetische doeleinden. Omdat een deel van dele vrijkomende elektronen direct op zuurstof worden overgedragen om ATP te maken is dit proces niet handig. Deze elektronen worden in dit geval in plaats van op NAD+ op NADP+ overgedragen. Door de extra fosfaatgroep heeft NADPH een verschillende conformatie dan NADH en daarom kunnen ze alleen als verschillende substraten aan enzymen binden. Hierdoor kan NADPH uitsluiten mee werken aan anabolische reactie voor biosynthese en NADH juist aan catabolische reacties voor het maken van ATP in de ademhalingsekten. De vrije elektronen die bij NADPH worden gebruikt zijn dus ook niet afkomstig uit de ademhalingsketen (O2). Eén manier van NADPH vormen komen we tegen in college 13, de rest wordt echt in het pentosefosfaat pad gevormd, of te wel PPP. Hier wordt ook glucose in het cytosol afgebroken maar op een andere manier dan in de glycolyse. De glucose gaat dus of de glycolyse of het PPP in. PPP: er wordt dus geen directe ATP gevormd maar wel reducerend vermogen in de vorm van NADPH. Het vindt plaats in voornamelijk de lever, melkklieren, vetweefsel, adrenal coretx en rode bloedcellen. Het vind plaats in het cel cytosol. De voornaamste fucnties van het PPP zijn: 1. Generatie van NADPH (nodig voor reductive biosynthese reacties, vetzurene n cholesterol) 2. Productie van ribose 5 fosfaat voor de biosynthese van nucleotiden, nucleïnezuren, purinen en pyrimidinen. (DNA en RNA) 3. In rode bloedvellen wordt NADPH gereduceerd om het antioxidante gereduceerde Glutathion te vormen welke een belangrijke rol speelt bij de bescherming van cellen tegen reactieve zuurstof intermediairen. Het PPP bestaat uit twee stadia: 1. Een irreversibele oxidatieve fase: hierin vinden 3 irreversibele reacties plaats waarbij ribulose 5 fosfaat, CO2, 2NADPH s en 2H+ gevormd worden per glucose 6 fosfaat molecuul en twee NADP+.

26 2. Een reversibele niet oxidatieve fase: deze bestaat uit 5 reacties waarbij ribulose 5 fosfaat wordt omgezet naar ribose 5 fosfaat voor nucleotide synthese of naar intermediairen van de glycolyse voor alsnog deelname hieraan (glyceraldehyde 3 fosfaat/fructose 6 fosfaat) NADHP is nodig voor de biosynthese van bijvoorbeeld vetzuren, de pentosen die gevormd worden (Ribose 5 fosfaat) zijn nodig voor de vorming van DNA, RNA, ATP en bepaalde coënzymen. Door de totaal verschillende functies van pentosen en NADPH zijn de behoeften hieraan in de regel ongelijk. De afstemming tussen het vormen van deze stoffen door het PPP is dan ook gereguleerd. De meeste controle vindt volgens verwachting plaats in de irreversibele stap, de oxidatieve fase. Hierbij wordt

27 NADPH gevormd die gebruikt wordt voor onder andere vetzuursynthese. Als de hoeveelheid NADPH opgebruikt wordt door de synthese stijgt het aandeel NADP+ in de cel. Dit is een beginproduct en benodigd voor het PPP waardoor de PPP door hoge concentraties NADP+ wordt geactiveerd om meer NADPH te gaan vormen (activatie PPP lage NADPH: NADP+ ratio). Controle in de nietoxidatieve fase vind voornamelijk plaats door het nodig zijn van de eindproducten waaronder ribose 5 fosfaat en NADPH. Bedenk hierbij dat NADPH in fase 1 wordt gevormd en ribose 5 fosfaat in fase 2 dus bij behoefte aan beiden beide fasen worden doorlopen. Indien de behoefte aan NADPH groter is zal de ribulose 5 fosfaat omgezet worden in fructose 6 fosfaat of glyceraldehyde 3 fosfaat. Deze zal via een reversibele stap in de glycolyse terug gezet wroden naar glucose 6 fosfaat welke weer opnieuw het PPP in kan. Op deze manier wordt ook opnieuw NADPH gevormd. Bij een grotere behoefte aan ribose 5 fosfaat zal juist het omgekeerde gebeuren waarbij fructose 6 fosfaat of glyceraldehyde 3 fosfaat omgezet zullen worden via de reversibele stap in ribose 5 fosfaat. (bekijk je metabole kaart of zelfstudie voor plaatje hiervan). Glucose kan tot een aantal functies dienen: glycolyse, opslag in de vorm van glycogeen en vet & het PPP in. De glycolyse heeft een tweeledige functie: productie van ATP en bouwstenen voor de synthese van andere stoffen. Om te voldoen aan deze functies wrodt ook de glycolyse gereguleerd door middel van de snelheid van afbraak van glucose. De regulering vindt voornamelijk plaats op de 3 irreversibele stappen van de glycolyse te weten stap 1, 3 en 10. Stap 1: Hexokinase: deze stap wordt gecontroleerd door product inhibitie, dat wil zeggen als er veel G 6 P aanwezig is wordt de functie van Hexokinase geremd. Door de hoge affiniteit voor glucose blijft de activiteit wel actief, ook bij lage niveaus van glucose. In de lever en alvleesklier is een ander enzym dan hexokinase aan het werk, te weten: glucokinase. Deze heeft een lagere affiniteit voor glucose en daardoor beter aangepast om met hoge concentraties van glucose om te gaan. Dit enzym speelt een belangrijke rol in voorkomen van hyperglycaemia, abnormaal hoge levels van glucose. De glucose die binnenkomt gaat dus ook eerst via de lever waarbij de te grote hoeveelheden worden afgebroken door glucokinase alvorens de rest van het lichaam te betreden waar hexokinase aan het werk is. Stap 3: controle op deze stap vindt plaats op 3 manieren. Slechts één hiervan hoeven we te kennen en is regulatie door middel van PFK 1 (fosfofructokinase). Deze stap is het belanrgijkste bij de regulatie van de glycolyse omdat het de rate limiting stap katalyseert. Hiermee wordt bedoeld dat dit enzym werkt op de langzaamste stap van de glycolyse waar tevens energie voor nodig is. Daarom vindt hier makkelijk controle plaats. De regulatie vindt plaats door hoge ATP niveaus, H+ en citraat/vetzuur welke de functie van PFK 1 inhiberen. Tevens verlagen hoge ATP niveaus de affiniteit voor het substraat ( F 6 P). Citraat, geproduceerd door de citroenzuurcyclus, versterkt het inhibitievermogen van ATP. Hoge niveaus van citraat indiceren namelijk hoge niveaus van producten van de glycolyse (pyruvaat, acetyl CoA, oxaalacetaat) en verdere afbraak van glucose is niet nodig. Stimulatie vind plaats foor lage energie levels, veel ADP. Denk hierbij terug aan dat de remming van hexokinase plaatsvindt door hoge niveaus van G 6 P. G 6 p is in evenwicht met F 6 P welke weer het substraat is voor PFK!. Remming van hexokinase geeft dus lagere niveaus van G 6 P en daarmee F 6 P, remming van hexokinase is dus remming van PFK 1. Andersom ook, remming PFK 1 = remming HK. Stap 10: de laatste stap van de glycolyse wordt gereguleerd door pyruvaat kinase en gecontroleerd door zowel hormonale als allosterische regulatie. Op dit moment is alleen de allosterische regulatie van belang. Pyruvaat kinase kan zowel geactiveerd als geremd worden. 1. remming: hoge niveaus van ATP die gevormd worden tijdens stap 10 en hoge niveaus van alanine en acetyl CoA remmen de werking van het enzym. 2. Activatie vindt plaats door middel van hoge niveaus aan F 1,6 bis P. Dit is feed forward omdat hiermee de snelheid door voorproducten wordt verhoogd en niet achteraf pas aangepast. Er zijn afwijkingen gevonden die gerelateerd zijn aan deficiëntie van pyruvaat kinase. Het gaat om een deficiëntie (slechts 5 20% van het normale niveau) in de rode bloedcellen. Omdat deze geen