Celstofwisseling. 2.1 Opbouwprocessen in de cel Afbraakprocessen in de cel 22

Transcriptie

1 15 elstofwisseling.1 pbouwprocessen in de cel De cel is de kleinste chemische fabriek ter wereld De synthese van een eiwit is als het schrijven van een lang woord, met aminozuren als letters De eiwitsynthese wordt gestuurd vanuit het D in de celkern R verbreidt en vertaalt de genetische code De regulatie van de genexpressie Lipiden worden opgebouwd in het gladde ER en verder bewerkt in het golgi-complex 1. fbraakprocessen in de cel..1 De cel splitst stoffen voor (her)gebruik van de componenten of om energie vrij te maken.. De splitsing van koolhydraten en vetzuren levert de energie voor alle celfuncties..3 Enzymen katalyseren biochemische reacties 4..4 Zuurstof is onmisbaar voor een voldoende vorming van ; glucose is onmisbaar voor een voldoende vetzuurverbranding 4 L.. Bouman et al., Leerboek medische fysiologie, Kernboek, DI / _, 014 Bohn Stafleu van Loghum, onderdeel van Springer Media BV

2 16 oofdstuk elstofwisseling Leerdoelen a bestudering van dit hoofdstuk en de bijbehorende leerstof op de website kan men de volgende vragen beantwoorden. 1. oe worden op moleculair niveau de erfelijke eigenschappen tot expressie gebracht?. oe ontstaat R? Welke soorten zijn er en wat is van elk de specifieke functie? 3. oe verloopt de eiwitsynthese en hoe wordt deze gereguleerd? 4. oe verloopt de citroenzuurcyclus en wat is de ademhalingsketen? 5. Wat zijn lipiden? Waar worden ze gevormd en welke functies vervullen ze in het lichaam? Benodigde voorkennis 7 oofdstuk 1..1 pbouwprocessen in de cel.1.1 De cel is de kleinste chemische fabriek ter wereld De celstofwisseling omvat vele duizenden chemische reacties die continu in de cel plaatsvinden. ieuwe moleculen ontstaan op verschillende manieren. Dat kan door het ombouwen van uit het uitwendige milieu opgenomen (= assimilatie) of reeds aanwezige stoffen, door samenvoeging van kleinere brokstukken tot één groot molecuul (= anabolisme) of door splitsing van grote moleculen in kleine stukken (= katabolisme). ls het bij dit laatste proces gaat om afbraak van organische stoffen, bijvoorbeeld de verbranding van glucose in de mitochondriën, dan spreekt men van dissimilatie. De chemische basis van deze reacties wordt uitgelegd in intermezzo.1 De machinerie die hiervoor nodig is, bestaat uit door de cel geproduceerde eiwitten die als katalysator fungeren: de enzymen; ze vormen het belangrijkste bestanddeel van het cytoplasma. Veel enzymen komen verspreid in het cytoplasma voor, maar er zijn ook enzymen die opgehoopt zijn in organellen en daar dan een specifieke functie bepalen (7 par ). Behalve de enzymen zijn er nog tal van andere eiwitten met vitale functies. De eiwitmoleculen in de membraan fungeren in de eerste plaats als transportmiddel voor uitwisseling van stoffen tussen de extra- en intracellulaire ruimte. ls tweede belangrijke functie vormen vele membraaneiwitten een aangrijpingpunt (receptor) voor allerlei van buiten de cel komende stoffen die een reactie van de cel kunnen oproepen. Intracellulair vormen sommige eiwitten langgerekte structuren (filamenten) die stevigheid geven aan de cel (cytoskelet) of door samentrekking (contractie) beweging tot stand kunnen brengen (7 intermezzo 1.4). Een derde belangrijke functie van eiwitmoleculen is afweer, doordat ze langs chemische weg micro-organismen of tumorcellen onschadelijk kunnen maken. en slotte werken eiwitten ook als signaalstoffen die rechtstreeks van invloed zijn op naburige cellen (transmitters) of indirect via het bloed worden verspreid (hormonen)..1. De synthese van een eiwit is als het schrijven van een lang woord, met aminozuren als letters Eiwitten zijn grote moleculen met een molecuulmassa van soms meer dan een miljoen. Ze bestaan uit een langgerekte keten die, met soms vele vertakkingen, is opgebouwd uit tussen de 50 en 000 aminozuurmoleculen. De keten is op een specifieke wijze tot een kluwen samengevouwen, zodat het eiwit een specifieke driedimensionale structuur heeft. Deze structuur bepaalt de werking van het eiwit; verandering van de vorm (conformatie) van het eiwit leidt tot een verandering of verlies van functie. et aantal verschillende aminozuren in de keten is beperkt tot twintig, zodat zich de vergelijking met een alfabet van twintig letters opdringt. Door deze in verschillende combinaties te verbinden, zijn talloze verschillende woorden te maken. Dit verklaart hoe het mogelijk is dat de eiwitmoleculen een individuspecifieke bouw hebben; slechts één letter (aminozuur) verschil levert soms al een ander eiwit op. De aminozuren hebben een specifieke chemische structuur (7 intermezzo.). Ze bestaan uit een korte of lange koolwaterstofketen, waarbij aan het eerste -atoom (het α-atoom) zowel een -groep (carboxylgroep) als een -groep (aminogroep) gebonden is (. figuur.1). et aminozuurmolecuul is daardoor amfoteer. Dit betekent dat het zowel zure als basische eigenschappen kan hebben. De zure carboxylgroep kan zich binden aan de basische aminogroep van een ander aminozuur. De binding die dan ontstaat, noemt men een peptidebinding. ldus ontstaat een dipeptide. aarmate meer aminozuren gekoppeld worden, vormen zich tri- en tetrapeptiden tot polypeptiden (. figuur.1b). Eiwitten zijn in feite grote polypeptiden. Doordat eiwitten aan het ene uiteinde een carboxylgroep (van het eerste aminozuur) hebben en een aminogroep aan het andere uiteinde (van het laatste aminozuur), zijn ze zelf eveneens amfoteer..1.3 De eiwitsynthese wordt gestuurd vanuit het D in de celkern et als bij het schrijven de volgorde van de letters bepalend is voor de vorming van het woord, is de volgorde van de aminozuren in een eiwit bepalend voor zijn werking. Reeds één verkeerd geplaatst aminozuurmolecuul is voldoende om de functie van het eiwit teniet te doen. De eiwitsynthese zelf, de aaneenkoppeling van aminozuurmoleculen, vindt plaats in het endoplasmatisch reticulum (ER), maar wordt volledig gedirigeerd vanuit het chromatinemateriaal dat de door de ouders geleverde genetische code bevat. Deze code is aanwezig in de structuur van het desoxyribonucleïnezuur (D, Eng.: deoxyribonucleic acid). ucleïnezuren (D) zijn de grootste moleculen in de cel. Ze zijn opgebouwd uit een lange reeks subeenheden, nucleotiden, die een schijnbaar uniforme opbouw hebben: een stikstofhoudend basenmolecuul, gekoppeld aan een pentose (5-koolhydraat) dat verbonden is met een fosfaatgroep (. figuur.). et essentiële deel van deze eenheid is het basenmolecuul. Er zijn vier verschillende kernbasen, verdeeld over twee groepen:

3 .1 pbouwprocessen in de cel 17 carboxylgroep R B zijketens S 3 3 polypeptideketen aminogroep -einde peptidebinding -einde. Figuur.1 Bouwstenen van eiwit. Basale structuur van aminozuren. B Vorming van een polypeptide uit vier aminozuurmoleculen. ytosine () hymine () denine () 3 uanine () Desoxyribose Fosfaat B base base base R i pentose fosfaat. Figuur. De componenten van D. De vier basen,, en, een suikermolecuul (desoxyribose) en een fosfaatgroep. B Een segment uit een half D-molecuul waarin aan een streng van drie pentosefosfaatdelen drie basenmoleculen gekoppeld zijn. cytosine () en thymine (), chemisch aangeduid als pyrimidinebasen, en adenine () en guanine (), behorend tot de purinebasen (. figuur.). et D bestaat uit twee om elkaar heen gewonden lange ketens van nucleotiden die via de 3e en 5e positie in de pentosering aan elkaar gekoppeld zijn (. figuur.b). De twee D-ketens zijn via hun kernbasendelen door waterstofbruggen (7 intermezzo.1) aan elkaar gekoppeld. ierdoor ontstaat het beeld van een wenteltrap (dubbele helix) met de gekoppelde kernbasen als sporten (. figuur.3). er definitie wordt het einde van de nucleotideketen met de ongebonden 3 -positie in de pentose als 3 -einde (Eng: three prime) aangeduid,

4 18 oofdstuk elstofwisseling suiker-fosfaatskelet thymine () adenine () cytosine () guanine () desoxyribosesuiker fosfaat waterstofbrug. Figuur.3 Structuur van D. Een keten van gefosforyleerde suikermoleculen vormen de gedraaide stijlen van de D-ladder, de paren van complementaire basen - en - de sporten. terwijl het D-uiteinde met de ongebonden 5 -positie als 5 -einde (Eng: five prime) wordt aangemerkt. De koppeling tussen nucleotiden is alleen mogelijk tussen adenine en thymine (-) en tussen guanine en cytosine (-), zodat alleen deze paren kunnen voorkomen. Die specificiteit, aangeduid als het complementariteitsprincipe, maakt het mogelijk dat bij de celdeling het D zichzelf exact kopieert. In de celkern is het D rond histoneiwitten gewikkeld; deze nucleosoomeenheden liggen nauw gerangschikt en vormen samen de chromosomen (. figuur.4, B). et D dat zich in de chromosomen bevindt, bevat specifieke gebieden die de codes voor eiwitten bevatten, de zogenoemde genen. et grootste deel van het D (ongeveer 97%) bevat geen genen en wordt niet-coderend D genoemd. ok binnen het gen bevinden zich gebieden die niet coderen. Deze worden introns genoemd; zij liggen tussen de coderende gebieden die exons worden genoemd (. figuur.4). et volledige D in de celkern van humane cellen wordt het humane genoom genoemd en bevat bij benadering ongeveer genen. Behalve het D in de celkern wordt er ook nog D in de mitochondriën van humane cellen gevonden. Dit D wordt ook wel het mitochondriale genoom genoemd; het is veel kleiner dan het humane genoom (ongeveer 1% van het totale D) en zorgt voor de productie van een klein deel van de mitochondriale eiwitten. erwijl het humane genoom een gelijke component van de moeder en de vader bevat (7. 3), is het mitochondriale genoom exclusief van maternale origine. an het begin van de celdeling worden de verbindingen tussen de om elkaar gewonden ketens verbroken, zodat de twee strengen uiteen kunnen wijken (. figuur.4). Langs deze beide strengen wordt door speciale enzymen, de D-polymerasen, nieuw D met complementaire kernbasen gevormd. ls de bestaande streng bijvoorbeeld een volgorde heeft van, zal de nieuw te vormen streng daar een basenvolgorde van - vertonen, identiek aan de situatie vóór de splitsing. Dit geldt op complementaire wijze ook voor de andere helft van het D-molecuul, zodat uiteindelijk na koppeling en herstel van de ruimtelijke rangschikking in de dubbele winding (helix) nu in spiegelbeeld twee identieke D-moleculen ontstaan (= replicatie), die vervolgens over de twee dochtercellen zullen worden verdeeld. Dagelijks treden in iedere cel duizenden kleine beschadigingen van het D op. Er vindt daarom continu reparatie van het D plaats om te zorgen dat de D-code intact blijft (7 intermezzo.3). De volgorde van de basen is de genetische code, want deze bevat alle informatie die nodig is om de synthese van eiwit en andere celproducten tot in detail te besturen. Wij beperken ons hier tot de zeer grote lijn van dit primaire levensproces, en staan kort stil bij de manier waarop de eiwitsynthese door het D wordt bestuurd..1.4 R verbreidt en vertaalt de genetische code De selectie van aminozuren en de koppeling van de aminozuren aan het gewenste eiwit gebeurt in de ribosomen. Ribosomen zijn complexe clusters van meer dan 50 eiwitten die aan de hand van de code van het boodschapper-r de eiwitsynthese katalyseren. ieronder beschrijven wij hoe de informatie uit de genetische code van het D via R (transcriptie = overschrijving) naar de ribosomen wordt doorgegeven en hoe daar de aminozuurselectie (translatie = vertaling) plaatsvindt. Voor beide processen maakt de cel gebruik van ribonucleïnezuur (ribonucleic acid, R), dat in opbouw lijkt op het D. et is eveneens opgebouwd uit een suiker, in dit geval echter ribose in plaats van desoxyribose, en met in plaats van thymine de base uracil (U), waarin de 3 -groep linksboven in het -molecuul in. figuur. ontbreekt. en slotte bestaat het uit slechts één streng, die vaak veel korter is dan die van de enorme D-moleculen. et R vormt een onmisbare schakel tussen de genetische informatie in het D en de vorming van eiwitmoleculen die kunnen worden beschouwd als een complex snoer van aan elkaar gekoppelde aminozuren (7 par..1.). Soort en aantal van de ingebouwde aminozuurmoleculen bepalen welke functie het eiwit kan vervullen. De genetische informatie van het D is het recept voor de opbouw van de eiwitten. et D bevat de code die aangeeft welke aminozuren aan elkaar moeten worden gekoppeld en in welke volgorde. De aminozuurselectie berust op het feit dat het D opgebouwd gedacht kan worden uit talloze combinaties van steeds drie aangrenzende kernbasen (= tripletten), die samen één bepaald aminozuur representeren; de genetische code bestaat

5 19.1 pbouwprocessen in de cel B verloop in tijd D histonen in nucleosoom kralenketting D-splitsing nucleosoom oud nieuwvorming 11 nm thymine () adenine () identieke chromatide D dubbele helix van 146 nucleotide paren nieuw histonen in nucleosoom nieuw promotorgebied oud (model) regulatoir element D van een chromatide cytosine () guanine () 5' gen primair promotorgebied exon exon 3' intron. Figuur.4 Replicatie van D. De vermenigvuldiging van de chromosomen begint met het openbreken van de waterstofbruggen tussen de complementaire kernbasen. Door aankoppeling van complementaire kernbasen en verbinding daarvan met desoxyribosefosforzuur ontstaan twee nieuwe, identieke D-ketens. Deze zullen zich over twee dochtercellen verdelen. B et D is rond een cluster van histoneiwitten gewikkeld (nucleosoom). De nucleosomen liggen op vaste afstanden van elkaar in het D; deze structuur wordt ook wel een kralenketting genoemd. Een nucleosoom bevat acht verschillende histoneiwitten; rond dit cluster histoneiwitten ligt ongeveer anderhalve winding D met een totale lengte van 146 basenparen. De organisatie van een eukaryotisch gen. Vóór het gen bevinden zich het primaire promotorgebied en de regulatoire elementen. dus uit drieletterwoorden die ieder voor zich een symbool zijn voor één aminozuur (7 intermezzo.). et R vormt een afdruk van een serie van deze tripletten, waardoor het codewoord voor een eiwit ontstaat. Bij de vorming van het R door het D werkt weer het complementariteitsprincipe van de basenparen, met uracil in de rol van thymine. De paren die gevormd kunnen worden, zijn dus - en -U. et R komt in vier vormen voor; elke vorm heeft een afzonderlijke functie in de eiwitsynthese. 1. Boodschapper-R (= messenger R, mr). Deze Rketen ontstaat aan het D in de kern, op een manier die sterk lijkt op de eerder beschreven replicatie van D. ok nu wordt D gespleten, maar alleen over het deel dat de code voor het te synthetiseren eiwit bevat. an de gebroken sporten van de ladder vormt zich nu R, met daarin de tripletten die complementair zijn aan die van het betreffende D-fragment. Deze R-tripletten noemt men codons, omdat ze het codesignaal voor de eiwitsynthese in het cytoplasma vormen. De R-keten zal evenveel codons bevatten als het eiwit aminozuurmoleculen moet krijgen, vermeerderd met enkele codons voor het starten en stoppen van de synthese. mdat er vier basen zijn, die in combinaties van drie worden gebruikt, zijn er 43 = 64 verschillende codons mogelijk. Er zijn echter slechts twintig verschillende aminozuren, zodat er voor de meeste aminozuren meer dan één codon beschikbaar is (7 tabel..1 in intermezzo.). Bovendien werkt de combinatie U onder bepaalde omstandigheden als startcodon dat het begin van het woord aangeeft en zijn er in de tabel verschillende stopcodons te vinden die het einde van het woord markeren.

6 0 oofdstuk elstofwisseling Zoals reeds beschreven, bevatten humane genen zowel coderende (exons) als niet-coderende (introns) gebieden. In eerste instantie wordt het volledige gen door Rpolymerase als R gekopieerd. Uit dit zogenoemde pre- R wordt door selectie van alleen de coderende stukken het mr samengesteld. Er kunnen uit één pre-rmolecuul daardoor verschillende combinaties exons en dus verschillende mr-moleculen gehaald worden. Deze bewerking maakt dat één gen voor verschillende mr s en dus eiwitten kan coderen. adat het mr is gevormd, diffundeert het uit de kern naar het cytoplasma, waar het zich hecht aan een ribosoom.. Ribosomaal R (= rr). Dit is een stabiele structurele vorm van R, die verankerd is in de ribosomen. Ribosomen zweven gedeeltelijk vrij in het cytoplasma en zijn gedeeltelijk aan het ER gebonden, zodat het ER daar een ruw oppervlak heeft. De vrije ribosomen produceren eiwitten die in het cytoplasma opgelost aanwezig blijven. In het ruwe ER worden eiwitten geproduceerd die een onderdeel van de celstructuur vormen of die als secretieproduct aan de buitenwereld worden afgegeven. De werkwijze van het ribosomale eiwitcomplex is in beide gevallen dezelfde en betreft het binden van mr, dat vervolgens in contact gebracht wordt met het overdracht-r (zie hierna) dat de juiste aminozuren bevat, zodat de translatie van R naar eiwit kan plaatsvinden. 3. verdracht-r (= transfer R, tr). Dit R wordt, net als de beide andere vormen van R, in de kern gemaakt en aan het cytoplasma afgegeven. Door binding aan een specifiek aminozuur zorgt het tr voor de translatie (vertaling) van het mr naar eiwit. Dit gebeurt doordat het tr een triplet bevat (anticodon) dat complementair is aan een codon van het mr (7 tabel..1). Kort gezegd komt de inbouw van aminozuren tijdens de eiwitsynthese tot stand doordat er voor elk aminozuur een specifiek tr bestaat. In het ribosoom koppelt het tr via zijn anticodon op de juiste plaats aan het complementaire codon van het mr. Zo komt nu aan het ribosoom een rijtje verschillende aminozuren liggen, die daarna aan elkaar gebonden kunnen worden tot een nieuw eiwitmolecuul. De koppeling van een bepaald aminozuur aan het bijbehorende tr komt tot stand via een enzym, een aminozuurtr-synthetase, dat reageert met slechts één aminozuur en het juiste tr. 4. Micro-R. aast de directe rol van de bovengenoemde R-vormen in het translatieproces bestaan er korte R-sequenties (micro-r of mir genoemd) die ongeveer nucleotiden lang zijn; mir-sequenties zijn zogenoemde posttranscriptionale regulatoren. Zij binden aan mr en verhinderen hierdoor de eiwitsynthese; binding van mir leidt ook tot snelle afbraak van mr. Inmiddels zijn er meer dan 600 verschillende mir-sequenties bekend die in grote mate de eiwitsynthese reguleren. et verloop van de translatie van de genetische code in een eiwitstructuur kan nu, sterk vereenvoudigd, als volgt worden samengevat (. figuur.5). adat het mr in de kern is gevormd, beweegt het zich door middel van diffusie door de kernmembraan naar het cytoplasma, waar het zich hecht aan het ribosoom. Dit schuift langs het mr, waarbij de opeenvolgende codons in bewerking komen. Deze bewerking bestaat erin dat per codon een complex van een tr-molecuul met het daaraan gehechte aminozuur wordt aangekoppeld. Vervolgens wordt het tr losgemaakt en het aminozuur wordt aan het reeds aanwezige naburige aminozuurmolecuul vastgemaakt door vorming van een peptidebinding. et tr gaat terug naar het cytoplasma, op zoek naar een volgend aminozuurmolecuul; het ribosoom schuift verder langs het mr voor de opbouw van het volgende stuk van het eiwitmolecuul. De productie van mr bepaalt in hoge mate de aard van de eiwitten waarover de cel zal kunnen beschikken en daarmee dus de soort cel die zich zal ontwikkelen. et is dan ook niet zo dat al het D voortdurend bij de vorming van mr is betrokken. In de eerste plaats is slechts een klein deel van het D bij de transcriptie betrokken. In de tweede plaats staat dit proces onder nauwkeurige controle. Wij spreken daarom van het mr-expressieprofiel: het pakket mr-moleculen dat in een cel van een bepaald type wordt gevormd. Dit expressieprofiel bepaalt welke functies de cel in volwassen toestand zal kunnen vervullen..1.5 De regulatie van de genexpressie Iedere cel in het menselijk lichaam bevat in zijn celkern de volledige genetische informatie. Deze informatie wordt door de diverse typen lichaamscellen specifiek gebruikt om de eiwitten die nodig zijn voor de gespecialiseerde celfunctie aan te maken. De genetische informatie die door gespecialiseerde cellen zoals spiercellen, levercellen en zenuwcellen gebruikt wordt, loopt sterk uiteen. erwijl de genexpressie algemeen door de basale promotorregio (-box) gestart wordt, bevinden zich vóór het gen regulerende elementen die de celspecifieke genexpressie bepalen. ver het algemeen hebben humane genen ongeveer vijf regulatoire elementen die zich in het promotorgebied bevinden (. figuur.4b). Specifieke kleine eiwitten, de transcriptiefactoren, activeren de regulerende elementen, waardoor de genexpressie aanvangt. et zijn de transcriptiefactoren en epigenetische mechanismen (7 intermezzo.4) die in grote mate de differentiatie van celtypen bepalen. Bij de assemblage van het mr-molecuul wordt vaak maar een deel van de exons van het gen gebruikt. et verbinden van de mr-sequenties van de diverse exons wordt splicing genoemd en hierdoor kunnen van één gen verschillende eiwitten afgeschreven worden. Uiteraard draagt dit mechanisme bij aan de diversiteit van de verschillende eiwitten die een cel kan maken. Doordat, als onderdeel van de specialisatie, cellen hun vermogen om eiwitten te vormen (men zegt: tot expressie te brengen) selectief toepassen, verschilt het pakket aan eiwitten in verschillende cellen sterk. Deze specialisatie komt tot stand door regeling van de eiwitsynthese op het vlak van de transcriptie, de vorming van boodschapper-r aan het D in de kern.

7 1.1 pbouwprocessen in de cel RSRIIE RSLIE D U U U 1 mr wordt gevormd met D als sjabloon: (transcriptie) aminozuur mr verlaat de kern en hecht zich aan de ribosomen van het ruwe endoplasmatisch reticulum; begin van translatie mr kernporie kernmembraan tr aminozuurtrsynthetase polypeptideketen Met ly Ser 4 doordat het ribosoom langs de mr-keten schuift, ontstaat een keten van aminozuren: het eiwitmolecuul he 5 vrij tr komt terug naar het cytoplasma om opnieuw als anticodon een aminozuurmolecuul te markeren mr na translatie peptideketen Ile la 3 aminozuren die gebonden zijn aan het bijpassend tr (anticodon) zoeken hun plek (codon) in het ribosoom tr met anticodon U U ribosoom U U U U U codon mr voor translatie. Figuur.5 ranscriptie (links) en translatie (rechts): verschillende fasen in de synthese van een eiwitmolecuul..1.6 Lipiden worden opgebouwd in het gladde ER en verder bewerkt in het golgi-complex Lipiden, vetachtige stoffen die beter in organische oplosmiddelen (bijv. ether) dan in water oplossen (= hydrofoob), vormen de tweede groep biologisch actieve stoffen die voor een groot deel in de cel zelf worden gemaakt uit van buitenaf aangevoerde componenten (7 intermezzo.5). et is een naar structuur minder homogene groep dan de eiwitten, met veel zeer verschillende functies. m te beginnen zijn lipiden betrokken bij de vorming van membranen, om de gehele cel of om de organellen. Dit betreft niet alleen stabiele wandstructuren, maar ook

8 oofdstuk elstofwisseling membraanvorming op plaatsen waar een grote synthetische of transportarbeid plaatsvindt in samenwerking met allerlei enzym eiwitten. Daarnaast zijn lipiden belangrijke boodschapperstoffen (bijv. steroïdhormonen) en zijn ze in de vorm van vet de belangrijkste opslagmogelijkheid van energie voor het lichaam. De lipiden, in het bijzonder de lipiden die deel gaan uitmaken van een membraan, worden opgebouwd aan het cytosoloppervlak van het gladde ER en daarna naar de binnenkant van het ER verplaatst en doorgegeven naar het golgi-complex. a koppeling aan membraaneiwit wordt het nieuwe membraanmateriaal opgenomen in de celmembraan of in een van de vele organellen. Samenvatting 1. Stofwisseling (= metabolisme) is het totaal van processen voor opbouw (= anabolisme) en afbraak (= katabolisme) van stoffen. ls de opbouw opname van stoffen uit het uitwendige milieu inhoudt, gaat het om assimilatie; afbraak van celcomponenten is dissimilatie.. De vorming van stoffen vindt plaats via verschillende chemische reacties die door als katalysator werkende eiwitten, de enzymen, tot stand worden gebracht. 3. De chemische reacties zijn naar functie verdeeld over de verschillende organellen van de cel: eiwitsynthese in kern en het ruwe deel van het endoplasmatisch reticulum (ER); lipidesynthese in het gladde deel van het ER; afwerking van secretieproducten in het golgi-complex; oxidatieve splitsing van brandstof in de mitochondriën; opname en afgifte van stoffen door de celmembraan. 4. De eiwitsynthese wordt gestuurd vanuit het genetisch materiaal in de kern. Dit bestaat uit zeer grote D-moleculen die, in de volgorde van de basenparen adenine gekoppeld aan thymine en guanine aan cytosine, de informatie bevatten over de volgorde van aminozuren in de in het ER op te bouwen eiwitmoleculen. 5. Deze informatie wordt door boodschapper-r (mr), dat door transcriptie een chemische afdruk van het D vormt, met uracil in plaats van thymine naar het ER gevoerd. et mr wordt daartoe aan een ribosoom gebonden. 6. In het ribosoom vindt de translatie plaats van de code in een aminozuurvolgorde; aminozuren worden herkenbaar gemaakt door koppeling aan transfer R (tr). 7. De belangrijkste groep lipiden zijn de glyceriden, opgebouwd uit glycerol en vetzuur. Men onderscheidt verzadigde en onverzadigde vetzuren door het niet of wel aanwezig zijn van dubbele koolstofbindingen.. fbraakprocessen in de cel..1 De cel splitst stoffen voor (her)gebruik van de componenten of om energie vrij te maken ot de dynamiek van de cel behoort dat naast de voortdurende aanmaak van celbestanddelen er ook continu materiaal wordt afgebroken. Wij spreken van turnover. De turnovertijd, die aangeeft hoe lang een bepaald product gemiddeld blijft bestaan, varieert van seconden tot jaren, afhankelijk van de functie van het product. Structuureiwitten hebben een tragere turnover dan enzymeiwitten. De kortste turnovertijd vertonen de signaaleiwitten die na overdracht van een signaal onmiddellijk onwerkzaam worden gemaakt. De afbraak van eiwit is de taak van de lysosomen, een heterogene groep vesikels die alle beschikken over zure hydrolasen, splitsende enzymen die werkzaam zijn in een zuur milieu. De lysosomen beschikken zelf over de enzymen die lokaal de + -concentratie kunnen verhogen. Splitsing van lange vetzuurketens vindt plaats in de peroxisomen, die hun substraat afbreken door oxidatie. aast de afbraak van eiwit door lysosomen vindt een groot deel van de eiwitafbraak plaats door het ubiquitine-proteasoomsysteem. et proteasoom is een groot eiwitcomplex dat zorgt voor de afbraak van beschadigde of overbodige eiwitten. Deze eiwitten worden gemarkeerd met een groot aantal kleine peptiden die ubiquitines genoemd worden. De ubiquitineketen die hierdoor ontstaat, bindt aan het proteasoom en zorgt dat het eiwit opgenomen wordt in het proteasoom. De proteasomen breken de geübiquinileerde eiwitten af tot peptiden van zeven of acht aminozuren lang. De aminozuren die vrijkomen bij afbraak van deze peptiden, kunnen opnieuw gebruikt worden in de eiwitsynthese. Behalve het hergebruik van onderdelen is een tweede reden van hydrolytische (d.m.v. binding met water) of oxidatieve (d.m.v. binding met zuurstof) splitsing van stoffen het vrijmaken van energie door verkleining van de moleculen. Stoffen die deze eigenschap hebben, noemt men energierijk. In de voeding zijn het met name de koolhydraten (bijv. zetmeel) en vet die als energierijke substraten worden aangevoerd. Bij een overschot aan eiwit in de voeding kan dit ook als energiebron worden benut. De aminozuren worden dan ontdaan van hun stikstofatomen (desaminering) en de overblijvende ---verbindingen kunnen worden omgezet in vet of koolhydraat... De splitsing van koolhydraten en vetzuren levert de energie voor alle celfuncties De splitsing van koolhydraten (suikers) en vetzuren in water ( ) en kooldioxide ( ) verloopt grotendeels door verbranding (= oxidatieve splitsing) en daarom noemt men deze stoffen de brandstoffen van de cel (7 intermezzo.6). Dat is maar gedeeltelijk juist, omdat tot op zekere hoogte ook hydrolytische splitsing van koolhydraat mogelijk is zonder gebruik van. Wij spreken daarom van aerobe (= oxidatieve) en anaerobe (= nietoxidatieve) stofwisselingsprocessen. Beide omvatten een aantal chemische reacties. De aerobe processen zijn de belangrijkste. iet alleen is de hoeveelheid energie die daardoor vrijgemaakt kan worden een veelvoud van die door de anaerobe stofwisseling kan worden geleverd, maar zij kunnen ook doorgaan zolang er brandstof is, terwijl anaerobe splitsing na korte tijd moet worden gestaakt door een ophoping van afvalstoffen. Daardoor is de aanwezigheid van zuurstof een absolute voorwaarde voor het langer voortbestaan van een menselijke cel.

9 . fbraakprocessen in de cel 3 energieke fosfaatverbinding +40 kj/mol opgenomen energie kj/mol vrijkomende energie D + fosfaat. Figuur.6 hemische structuur van (links) en de vorming uit D (rechts). Bij de vorming van wordt energie opgenomen, die bij behoefte aan energie door splitsing weer wordt afgegeven. ribose + D D e - reductie oxidatie ribose D. Figuur.7 hemische structuur van het D + (links) en de omzetting in D waarbij het een proton ( + ) en twee elektronen (e ) opneemt. D De energie die uit deze reeks processen vrijkomt, kan niet rechtstreeks voor energievragende celfuncties worden gebruikt, maar wordt eerst opgeslagen als adenosinetrifosfaat () (. figuur.6). Deze stof kan worden beschouwd als de universele overdrachtsstof voor energie. Elk energievragend proces in de cel gebruikt de energie uit, waarbij het gesplitst wordt in adenosinedifosfaat (D) en fosfaat; per grammolecuul (= mol) levert dat 40 kj op. Een tekort aan luidt het einde van de cellen in, omdat dan essentiële processen zoals membraantransport tot stilstand komen. et meeste wordt gevormd door een reeks van processen in de mitochondriën, die daarvoor in hun binnenste membraan een groot pakket speciale enzymen en transporteiwitten bevatten. Deze grote groep enzymen vormt de ademhalingsketen die energie kan halen uit het transport van elektronen door een reeks van reacties door complexe enzymsystemen. Uiteindelijk worden deze elektronen met waterstof en zuurstof verenigd tot een watermolecuul. De ademhalingsketen kan als leverancier van de elektronen niet rechtstreeks koolhydraat of vet gebruiken. Deze stoffen moeten eerst worden gesplitst in kleinere moleculen, waarbij elektronen worden vrijgemaakt en overgedragen aan enkele specifiek daarvoor in cytosol en mitochondriale matrix aanwezige waterstofacceptoren, het D (nicotinamideadeninedinucleotide,. figuur.7) en het daarmee verwante FD (flavineadeninedinucleotide). Deze stoffen werken oxiderend doordat zij waterstofatomen opnemen tijdens de enzymatische splitsing van de brandstoffen. De glucosesplitsing begint al in het cytosol, door een reeks van reacties die aangeduid worden als glycolyse (7 intermezzo.6). et eindproduct is pyrodruivenzuur (= pyruvaat), maar belangrijker is dat er tijdens de splitsing van één glucosemolecuul twee moleculen D worden gevormd die in de ademhalingsketen kunnen worden verwerkt. Bovendien worden er bruto vier moleculen uit D gevormd; netto is dat maar twee, omdat in het eerste deel van de glycolyse mol worden verbruikt om fosforhoudende tussenproducten te maken. Voor een verdere splitsing moet het pyruvaat naar het inwendige van een mitochondrion worden getransporteerd, waar zich de enzymen bevinden, voor een cyclisch verlopende reeks van reacties, de citroenzuurcyclus, naar zijn ontdekker ook wel de krebscyclus genoemd (7 intermezzo.7). Daar worden per pyruvaatmolecuul drie moleculen D gevormd en 1 mol FD. et pyruvaat wordt daarbij volledig gesplitst in en (. figuur.9). Vet kan de celmembraan niet passeren; het moet eerst gesplitst worden in glycerol en vetzuren. Deze laatste passeren de celmembraan wel en kunnen dan in het mitochondrion als brandstof dienen. ldaar aanwezige enzymen brengen een zodanige splitsing van het vetzuurmolecuul tot stand dat ook zij eveneens in de citroenzuurcyclus verder kunnen worden afgebroken. Deze voorbewerking noemt men de β-oxidatie. minozuren (7 intermezzo.) worden alleen voor energielevering gebruikt als er een overschot is aan aminozuur en een tekort aan energie. De eerste stap, die alleen in de lever kan worden uitgevoerd, is het aminozuur ontdoen van de aminogroep. Daarvoor zijn twee mogelijkheden: transaminering en desaminering. In het eerste geval wordt de aminogroep behouden door overzetting naar α-ketoglutaarzuur (uit de citroenzuurcyclus), zodat het aminozuur glutaminezuur wordt gevormd. In het tweede geval gaan de aminogroepen verloren; ze worden omgebouwd tot ureum en in de urine uitgescheiden. Wat overblijft wordt omgezet in glucose (gluconeogenese) en kan als substraat voor de glycolyse dienen.

10 4 oofdstuk elstofwisseling..3 Enzymen katalyseren biochemische reacties Zoals reeds eerder aangegeven, zijn enzymen eiwitten die als katalysator fungeren om biochemische reacties bij normale temperatuur en druk efficiënt te laten verlopen. Voor zijn functie moet het enzym in contact komen met de beginproducten van de biochemische reactie (het substraat). et substraat bindt dus aan het enzym en vormt zo een enzym-substraatcomplex, dat aan het eind van de reactie splitst in het reactieproduct en het enzym. De reactie tussen enzym en substraat wordt weergegeven als: S + E ES + E substraat enzym enzym substraatcomplex product enzym Een bekend voorbeeld van de bovenstaande reactie is de fosforylering van eiwitten. ierbij wordt een eiwit (het substraat) door een proteïnekinase (het enzym) van een fosfaatgroep voorzien, zodat er een gefosforyleerd eiwit (het product) ontstaat. an het eind van de reactie zal het enzym de reactie met de overgebleven substraatmoleculen herhalen, zodat de omzetting van substraat in product efficiënt verloopt en het enzym deze omzetting effectief versnelt. et deel van het enzym waaraan het substraat bindt, wordt de actieve regio van het enzym genoemd en bepaalt welk substraat aan het enzym kan binden (enzymspecifiteit). Iedere cel bevat ongeveer 4000 verschillende enzymen die verschillende biochemische reacties katalyseren. De naam van een enzym wordt algemeen samengesteld uit de naam van het substraat, aangevuld met -ase; bijvoorbeeld enzymen die vetten (lipiden) afbreken, worden lipasen genoemd...4 Zuurstof is onmisbaar voor een voldoende vorming van ; glucose is onmisbaar voor een voldoende vetzuurverbranding lle hierboven genoemde mechanismen om brandstofmoleculen tot en water te verkleinen en energie daaraan te onttrekken voor de vorming van bevatten één of meer oxidatiestappen die tot stilstand komen als er niet voldoende in de cel aanwezig is. lleen de glycolyse biedt een zijweg om kortdurend anaeroob energie vrij te maken. et pyruvaat dat aan het einde van de reactiereeks ontstaat, kan indien nodig waterstofatomen terugnemen van het eerder gevormde D, waardoor melkzuur (= lactaat) ontstaat dat zich ophoopt en niet verder kan worden verwerkt. Dat is dan het noodzakelijke einde van de anaerobe stofwisseling die per glucosemolecuul dan netto mol heeft opgeleverd. Dat is heel anders als er wel voldoende zuurstof is. Dit komt niet alleen doordat het pyruvaat nu kan overgaan in de citroenzuurcylus, want die levert per pyruvaatmolecuul niet meer dan 1 mol op, via tussenschakeling van, een verwante energierijke fosfaatverbinding (. figuur.9). Maar nu kunnen via de β-oxidatie vetzuren kunnen worden geoxideerd, wat gemiddeld per mol vetzuur netto 7 mol oplevert. Dit is op zich veel lucratiever, doordat nu D en FD in de ademhalingsketen kunnen worden geproduceerd. Dit levert per mol glucose ongeveer 34 mol op en per mol vetzuur gemiddeld 18 mol. mgerekend per gram brandstof is de energieopbrengst per 100 g glucose 0 mol en per 100 g vetzuur gemiddeld 50 mol. Uit dit verschil in energie-inhoud van deze verschillende brandstoffen is te begrijpen waarom het lichaam vet voor langeretermijnenergieopslag gebruikt en geen koolhydraat. lucoseverbranding is echter om twee redenen onmisbaar. In de eerste plaats om een snel startende arbeid zoals een sprint mogelijk te maken. De voor de aerobe energievrijmaking noodzakelijke verhoging van de zuurstofaanvoer komt daarvoor te traag op gang, zodat de start is aangewezen op de anaerobe stofwisseling; glucose is het enige substraat daarvoor. De tweede reden is dat bij een onvoldoende glucoseafbraak er een verstoring van de citroenzuurcyclus optreedt die ook de vetzuursplitsing verstoort (7 intermezzo.8). De glycolyse lucose is de belangrijkste brandstof voor de synthese van. De suiker wordt door het bloed aangevoerd, in de cel actief opgenomen en dan met behulp van de energie uit twee -moleculen gebonden aan fosforzuur tot fructose-1,6-difosfaat. Dit zijn de eerste stappen van een reeks van negen reacties die in het cytosol optreden, waarin met behulp van evenveel enzymen het glucosemolecuul in twee stukken breekt, met als eindproducten twee moleculen pyrodruivenzuur (pyruvaat,. figuur.8) en vier moleculen. Dit betekent een nettowinst van twee moleculen, omdat er twee zijn geïnvesteerd aan het begin van de reeks. ngeveer halverwege de procesreeks vindt een oxidatiestap plaats waarbij twee -atomen worden onttrokken en gebonden aan nicotinamideadeninedinucleotide (D), zodat D + + ontstaat. ls er voldoende zuurstof wordt aangevoerd, kan D deze -atomen aan zuurstof overdragen waardoor water ontstaat (7 intermezo.7). et D blijft dan als waterstofacceptor beschikbaar. ls er echter onvoldoende zuurstof aanwezig is (anaerobe omstandigheden), draagt het D + + zijn waterstof over aan het zojuist gevormde pyrodruivenzuur, waardoor melkzuur ontstaat. Dit kan in de cel niet verder worden verwerkt, zodat het zich zal ophopen. oewel door dit mechanisme dus gevormd kan worden zonder voldoende zuurstoftoevoer (anaerobe arbeid), is dat slechts gedurende korte tijd mogelijk, omdat door de ophoping van melkzuur de p in de cel sterk daalt en de eiwitten daardoor hun functie verliezen (acidose). De citroenzuurcyclus ls de toevoer van zuurstof voldoende is (aerobe omstandigheid), wordt pyrodruivenzuur aan het einde van de glycolyse niet gereduceerd tot melkzuur en kan het verder worden afgebroken, waarbij weer een aantal oxidatieve reacties optreedt. iervoor moet het pyrodruivenzuur vanuit het cytoplasma naar een mitochondrion diffunderen, omdat alleen daar de benodigde enzymen aanwezig zijn. De processen in de mitochondriën zijn zeer complex en niet in een paar woorden uit te leggen. Voor een gedetailleerd beeld wordt de lezer verwezen naar een leerboek biochemie. ier noemen wij slechts de hoofdpunten. De mitochondriale splitsing van pyrodruivenzuur uit de glycolyse speelt zich af in twee reactieketens. De eerste heeft een

11