Biochemische principes Hans V. Westerhoff

Transcriptie

1 Hans V. Westerhoff

2 Leerstof: Voet, Voet & Pratt: Fundamentals of Biochemistry (1999 editie) Hoofdstukken 13-17, 21 (zie syllabus voor details) Syllabus: de principes van het metabolisme (III.A-E) Syllabus: Sheets college via blackboard en:

3 Leerstof: Voet, Voet & Pratt: Fundamentals of Biochemistry (1999 editie) Hoofdstukken 13-17, 21 (zie syllabus voor details) Syllabus: de principes van het metabolisme (III.A-E) Syllabus: Sheets college via blackboard en:

4 Collegeschema Colleges zijn van 12h30 14h30 (met uitzondering van 28-10; dan zijn ze van 10h00-12h00), Voor docent en onderwerp: zie tabel in syllabus

5 Collegeschema 2003

6 Biochemie 2003: rol van colleges Alle stof staat in syllabus plus de daarin aangegeven delen van het boek Alle op het tentamen gevraagde stof wordt expliciet behandeld op college of practicum Collegestof << Boekstof Weten maar vooral begrijpen!

7 op het wwweb Oefententamen en sheets college zie: Blackboard of

8 De principes van het metabolisme A. Algemene principes B. Koolstof- en energie metabolisme C. Controle en regulatie D. Redox E. De balans opmakend

9 De plaats van de biochemie in de wetenschap sociologie ecologie Medische biologie macrobiologie microbiologie chemie Biochemie, biofysica, moleculaire biologie fysica

10 Een cel ziet er niet uit als zak enzymen;een bacterie niet

11 Een gistcel ook niet

12 Een levende cel doet meer dan biochemie, nl leven, maar wat is dat?

13

14 Replicerende zelfgecoordineerde autonome machine

15 Een levende cel onderscheidt zich van zijn omgeving; actief

16 Gewoon een zak enzymen? Metabolisme Gibbs energie transductie Transport Transcriptie Translatie Replicatie Signalering Alles geschiedt door enzymen dus. Inderdaad.?? Een principe

17 Wat gaan we doen: metabole routes uit het hoofd leren?

18 Wat gaan we doen: Principes begrijpen en herkennen!

19 A1. Het balansprincipe voor een organisme indien er meer nodig is dan opgenomen kan worden dan moet het gemaakt worden Toename is netto opname plus netto productie X = X + X e i

20 A2. De zelfwerkzaamheid van het leven Levende organismen maken bijna alle stoffen die ze nodig hebben zelf Oorzaak: heel veel verschillende stoffen nodig Komen bijna nooit allemaal in medium voor in goede relatieve concentraties Kunnen membraan niet passeren

21 A2. De zelfwerkzaamheid van het leven Levende organismen maken bijna alle chemische verbindingen die ze nodig hebben zelf Fig. 13-1! (uitzondering: vitamines)

22 A2. De zelfwerkzaamheid van het leven Fig Dus niet: hele eiwitten opeten en gebruiken!

23 A3. Elke reactie wordt gekatalyseerd door een eiwit Ongekatalyseerde processen meestal te traag Enzym Genproduct Fig. Page 356

24 A4. Water is overal Meeste levensstoffen zijn hydrofiel Fig. P22, Fig 1-6

25 A4. Water is overal Meeste levensstoffen zijn hydrofiel

26 A5. Hydrofobe membranen om alles bijeen te houden Meeste levensstoffen zijn hydrofiel Fig 10-10

27 A6. Subcompartimentatie Functie: Incompatibele reacties gescheiden Biochemie onder mee dan een conditie (ph) Vrije energie over membraan (electrische potentiaal) Nadeel: Extra transport nodig

28 A6. Subcompartimentatie Fig

29 A7. Transport over biologische membranen wordt gekatalyseerd door een eiwit Translocator / transporteiwit / kanaal Fig , Snelheden anders te laag

30 A8. Actief versus passief transport Passief: Wel gekatalyseerd Geen aandrijving met Gibbs energie Actief: Gekoppeld aan vrije energie afstaande reactie

31 A9. Het betaalprincipe bij 500 voedingstoffen en 500 benodigde stoffen zouden er 500x500 = chemische reacties ruilhandel moet een slager met vlees betalen als hij melk bij de melkboer haalt economie gebaseerd op geld Voedsel omzetten in eenvoudige bouwstenen (betaalmiddelen)

32 A9. Het betaalprincipe Fig

33 A10. Het balansprincipe voor metabole routes en processen eatp = 0, enadh = i ATP = 0, NADH = Evenveel ATP gemaakt als afgebroken-nodig voor biosynthese i 0 0

34 A11. Antiparallel actief en passief transport X = 0, X = 0, X = e i 0

35 A12. Elementen kunnen niet gemaakt i, element 0 worden, verbindingen wel H, C, N, O, P, S, Ca, Mg, Na, K en Cl verbindingen bv glucose C 6 H 12 O 6

36 A13. Zelf energie maken, de thermodynamische beperkingen behoud van energie U Gibbs vrije energie, het effectieve arbeidsvermogen: G=U + PV TS Bij processen die lopen gaat altijd wat Gibbs vrije energie verloren : G < 0 i

37 A13. Zelf energie maken, de thermodynamische beperkingen X = e X + i X e G = G > 0 i in steady state

38 A14. Meer dan 1 betaalmiddel nodig; voor elke relevante behoudswet tenminste 1

39 A15. Veel betaalmiddelen reizen op dragers

40 A16. Betaalmiddelen voor elementen

41 A17. Betaalmiddelen geleverd door katabole routes

42 A17. Betaalmiddelen geleverd door katabole routes

43 A17. Betaalmidde len geleverd door katabole routes

44 A17. Betaalmiddel en geleverd door katabole routes

45 A17. Betaalmiddellen geleverd door katabole routes

47 B1. Metabolisme: van voedsel naar bouwstenen naar biomassa

48 B2. Overschotten worden uitgescheiden

49 B3. Geen zorg om behoud van protonen

50 B4. ATP: het dominante Gibbs energie betaalmiddel bij chemische reacties

51 B5. ATP en transmembraanprotonen: de dominante Gibbs energie betaalmiddelen bij actief transport

52 Redoxmetabolisme Redox metabolisme: electron overdrachts reacties red ox 1 1 red ox 2 2 Electronen willen van stoffen (koppels) met negatieve redox potentiaal naar stoffen (koppels) met (meer) positieve redox potentiaal + + n e n e E = E ' + RT nf ln ox red = E ' log ox red

53 Redoxmetabolisme Electronen willen dus bv. van NADH naar zuurstof, als er zuurstof Biochemische is, principes of nitraat of sulfaat

54 B6. Twee soorten redoxmetabolisme, ademhaling en fermentatie Indien electronen naar externe electron acceptor: ademhaling Indien electronen naar interne electronacceptor: fermentatie (bv. wijn, bier, brood, zuurkool)

55 B6. Twee soorten redoxmetabolisme, ademhaling en fermentatie

56 B7. Twee manieren om ATP te maken: protonkracht gedreven en substraatniveau fosforylering

57 B8. Hoogenergetische bindingen

58 B9. Bij fermentatie vindt vaak elektronverschuiving binnen het molecuul plaats

62 B10a. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen

63 B10a. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen glucose wordt gesplitst in twee glyceraldehyde moleculen

64 B10b. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Elk glyceraldehyde molecuul wordt intern gefermenteerd tot melkzuur

65 B10c. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Twee electronen worden tijdelijk geparkeerd op NADH. In de laatste stap worden deze electronen van NADH overgedragen op pyruvaat. Hierbij ontstaat melkzuur (=lactaat lactaat).

66 B10d. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Fosfaat groepen worden gebonden om de Gibbs energie te oogsten. Fosfaat bindingen worden omgevormd tot hoge energie bindingen.

67 B10e. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Eerste twee fosfaten worden gebonden aan het molecuul in de C6 vorm. Investering van Gibbs vrije energie.

68 B10f. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Tweede set fosfaten wordt gebonden tegelijkertijd met de dehydrogenase stap. Hoog energie fosfaten worden overgedragen op ADP.

69 B10g. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Netto resultaat: 2 ATP per glucose molecuul 2 lactaat per glucose molecuul De route naar lactaat wordt gevolgd door: - menselijke rode bloedcellen (bevatten geen mitochondriën) - spiercellen als ze te weinig zuurstof hebben

70 B10h. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Gistcellen zetten pyruvaat om in ethanol.

71 B10. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen

72 B11. Enzymen verlagen G #

73 B12. Beperkt aantal types biochemische reactie redox reacties (oxidoreductases; dehydrogenases) groepsverdracht, gekatalyseerd door transferases de vorming van een binding onder gebruik maken van de Gibbs vrije energie van ATP hydrolyse, gekatalyseerd door ligases (= synthetases ) isomerases hydrolases eliminatie van een groep onder vorming van een dubbele binding in het achterblijvende molecuul, gekatalyseerd door de lyases (= synthases )

74 B12. Beperkt aantal types biochemische reactie oxidoreductases transferases ligases isomerases hydrolases lyases

75 B12. Beperkt aantal types biochemische reactie

76 B13.Metabole paden bewerkstelligen gecompliceerde omzettingen De snelheden van de opvolgende stappen moet gelijk zijn, opdat de concentraties van de intermediaire stoffen niet blijven toenemen (of afnemen); het metabole pad moet in steady state opereren. De metabole stroom erdoorheen heet dan de flux.

77 B14. Metabole routes bevatten irreversible stappen

78 B15. Tegengestelde routes bij afbraak en synthese

82 C1. Controle versus regulatie Goede waardes stromen en concentraties Wat controleert de flux of concentratie? Wat bepaalt/beperkt de grootte van de flux of concentraties? Wat reguleert de flux of concentratie? Hoe wordt de grootte van de flux of de hoogte van een concentratie bijgesteld als de behoefte wijzigt?

83 C2. Controle coëfficiënt: precisering van hoe sterk de controle is Enzym is belangrijk Enzym is onbelangrijk Flux versus enzyme activity

84 C2. Controle coëfficiënt: precisering van hoe sterk de controle is C J i percentage increase in fluxj percentage increase in enzyme activity Flux versus enzyme activity

85 C3. Flux controle zit niet per se in de irreversibele stappen???

86 C4. Flux regulatie door regulatie enzymactiviteit C4. De flux door een metabole route kan gereguleerd worden door de enzymactiviteit van een of meerdere enzymen met flux controle te reguleren (Fig. 14-1, 17-23). Bij grote regulatie is het laatste effectiever, omdat flux controle anders gauw verschuift.

87 C5. Elk eiwit wordt gecodeerd door een gen DNA RNA Enzyme Chemical 1 Process

88 Second law of Biology DNA Every enzyme is encoded by a gene RNA Enzyme Chemical 1 Process

89 C6 Meerdere manieren om een stap te reguleren meer enzym maken activiteit van het enzym te veranderen Allostere interacties Covalente modificaties veranderde substraat/product concentraties

90 C7. Regulatie door tegengestelde stappen differentieel te beinvloeden

91 C8. Regulatie enzymactiviteit door conformatieverandering

92 C9. Covalente modificatie enzymen en cascades

93 C10. Hiërarchie in controle Genexpressie activiteit (bv transcriptieactiviteit, translatieactiviteit) controleert tot op zekere hoogte de hoeveelheid van elk enzym, en de hoeveelheid (activiteit) van elk enzym controleert tot op zekere hoogte de fluxen en de concentraties.

95 D1. Behoud van elektronen: : redox electronen 0 i Er moet dus redox balans zijn in steady state: evenveel electronen opnemen als afstaan Redoxtoestand: CH 4 : C telt als C 4- (H neemt men als H + ) CO 2 : C telt als C 4+ (O neemt men als O 2- ) C(H 2 O) n (koolhydraat): C telt als C 0 NO 3- (nitraat): N telt als N 5+ NO 2- (nitriet): N telt als N 3+

96 D1. Behoud van elektronen: : redox Redoxbalans: CH 4 : C telt als C 4- (H neemt men als H + ) CO 2 : C telt als C 4+ (O neemt men als O 2- ) C(H 2 O) n (koolhydraat): C telt als C 0 Op methaan (CH 4 ) groeiende bacteriën moeten dus ademhalen (op zuurstof of nitraat) CH 4 C(H 2 O) n (biomassa) + 4 e - O e - + 4H + 2 H 2 O

97 D1. Behoud van elektronen: : redox Redoxbalans: CH 4 : C telt als C 4- (H neemt men als H + ) CO 2 : C telt als C 4+ (O neemt men als O 2- ) C(H 2 O) n (koolhydraat): C telt als C 0 Autotrofe organismen (dwz organismen die CO2 gebruiken als koolstofbron) moeten een externe electron donor oxideren (water bij fotosynthetische organismen) CO e - C(H 2 O) n (biomassa) 2 H 2 O O e - + 4H +

98 D1. Behoud van elektronen: : redox Redoxbalans: CH 4 : C telt als C 4- (H neemt men als H + ) CO 2 : C telt als C 4+ (O neemt men als O 2- ) C(H 2 O) n (koolhydraat): C telt als C 0 Op koolhydraat groeiende organismen halen ook wel adem, maar niet vanwege de redox balans. Waarom wel? C(H 2 O) n C(H 2 O) n (biomassa) + 0 e - O e - + 4H + 2 H 2 O C(H 2 O) n CO 2 + n H 2 O + 4 e - Omdat de ademhaling Gibbs energie oplevert (ATP)

99 D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme (Fig. 17-1) Ontvangt electronen van: Het katabolisme

100 D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme Betaalt electronen aan: de mitochondriële electron transport keten

101 D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme

104 D3. NADPH: dominant elektron betaalmiddel in het anabolisme

105 D3. NADPH: dominant elektron betaalmiddel in het anabolisme

106 D3. NADPH: glucose-6 fosfaat dehydrogenase deficiëntie X Patienten zijn overgevoelig voor zuurstofperoxideschade bv geïnduceerd door primaquine

107 D4. Ademhaling kan veel Gibbs energie opleveren In een eindstandige -CH 3 groep (als in ethaan), een eindstandige alcohol groep (-CH 2 OH, als in alcohol), een eindstandige aldehyde groep (-CH=O als in acetaldehyde) en een eindstandige carboxylgroep (-COOH, als in azijnzuur) heeft het koolstofatoom een redox toestand van respectievelijk 3-, 1-, 1+ en 3+. Negatieve midpuntspotentiaal (bv V voor de oxidatie van ethanol naar acetaldehyde, -0.6 V voor de oxidatie van acetaldehyde naar azijnzuur) Zuurstof wil heel graag electronen hebben (hoge midpunts potentiaal V ) Koolstof wil daardoor dus graag aan zuurstof elektronen afstaan totdat dat niet verder kan: CO 2.

108 D4. Ademhaling kan veel Gibbs energie opleveren 100 mv komt overeen met ongeveer 10 kj/mol electron ATP: ongeveer met 40 kj/mol ATP

109 D5. Oxidatie van koolstof in verbindingen Strategie: Steeds 2H (=2 electronen plus 2 protonen) eraf plukken met dehydrogenase Bij dubbele binding water toevoegen Dan 2H eraf; wordt C=O Dan acetaat groep eraf (op CoA naar citroenzuurcyclus) (hier: vetzuurafbraak)

110 D5. Oxidatie van koolstof in verbindingen Strategie: Steeds 2H (=2 electronen plus 2 protonen) eraf plukken met dehydrogenase Als het dubbele binidng geworden is: water toevoegen Dan is het alcohol: 2H onttrekken wordt CH=O Af en toe CO 2 eruit als het een zuurgroep geworden is (hier: Citroenzuur cyclus)

111 D5. Oxidatie van koolstof in verbindingen

112 D6. Bij ademhaling, wordt redox Gibbs energie geoogst door omzetting in elektrochemische proton gradient door de elektrontransferketen

113 D6. Bij ademhaling, wordt redox Gibbs energie geoogst door omzetting in elektrochemische proton gradient door de elektrontransferketen Alternatieve route; minder efficiënt Anaerobe bacteriën: andere terminale acceptoren dan zuurstof (bv. Nitraat, nitriet, NO, N 2 O) (kampioen Biochemische is principes Paracoccus denitrificans; hier bestudeerd)

114 D7. Redox shuttles: Metabole routes om elektronen over het membraan te zetten of naar het membraan te brengen

115 D7. Redox shuttles: Metabole routes om elektronen over het membraan te zetten

116 D8. Redox metabolisme globaal Glycolyse, pyruvaatdehydrogenase complex, vetzuurafbraak en de citroenzuurcyclus leveren elektronen in NADH (en een beetje in FADH 2 ) Deze worden geoxideerd door de elektron transferketen Pentosefosfaatcyclus (en transhydrogenase )) levert elektronen in NADPH Deze worden bij biosynthese gebruikt

118 E1. De aërobe glycolyse (i.t.t. de fermentatieve glycolyse)

119 E2. De citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus oxideert acetyl = acetaat: CH 3 COOH: C C 3+ tot 2 kooldioxide moleculen (2 C 4+ ), waarbij 6 elektronen worden opgevangen door NAD and 2 door een FAD 11 GTP (ATP) wordt gemaakt Het is een cyclus, dus er mag niet voortdurend netto C4 aan onttrokken worden

120 E3. Koolstof metabolisme

121 E3. De citroenzuurcyclus en koolstofmetabolisme Het is een cyclus, dus er mag niet voortdurend netto C4 aan onttrokken worden Wel doorgangsroute voor C metabolisme

122 E3. De citroenzuurcyclus en koolstofmetabolisme Het is een cyclus, dus er mag niet voortdurend netto C4 aan onttrokken worden Wel doorgangs route voor C metabolisme

123 E4. Energie metabolisme

124 E4. Energie metabolisme ATP gebruik: Biosynthese (eiwit,, DNA, RNA, lipiden, koolhydraten) Beweging (actomyosine, flagellen) Actief transport Signaal transductie

125 E5. Metabolisme

126 E6. Gibbs energieopbrengst (in ATP equivalenten) Glucose oxidatie 36 ATP G o ' = 2845 kj / mol G o ' = 235 kj / mol Glucose fermentatie 2 ATP

127 E7. Katabolisme is matig efficiënt Berekening Gibbs energie glucose G = verbranding G = G 0 10 ' log 6 po2 6 pco 2 [ glu cose] log = = 2944kJ / mol Berekening voor fermentatie naar alcohol [ ethanol] pco 2 G = G ' log [ glu cose] = 10 1 = log( ) = = 261 kj / mol

128 E7. Katabolisme is matig efficiënt Berekening efficiëntie glucose verbranding η = % = 49 % Berekening efficiëntie fermentatie naar alcohol = η % = 31% Ondanks het feit dat de fermentatie slechts 1/18 maal het aantal ATP s oplevert per glucose, is het thermodynamisch maar 18 % minder efficiënt. Als men alle ethanol als verloren beschouwt, dan is de fermentatieve efficiëntie lager: η = % = 3 %

129 Verder Repertorium Oefenen en Blackboard Gele syllabus: bestudeer de principes Bestudeer de hoofdstukken uit het boek aan de hand van de principes