Hans V. Westerhoff
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: http://www.bio.vu.nl/hwconf/teaching
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: http://www.bio.vu.nl/hwconf/teaching
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
Collegeschema 2003
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!
op het wwweb Oefententamen en sheets college zie: Blackboard of http://www.bio.vu.nl/hwconf/teaching/
De principes van het metabolisme A. Algemene principes B. Koolstof- en energie metabolisme C. Controle en regulatie D. Redox E. De balans opmakend
De plaats van de biochemie in de wetenschap sociologie ecologie Medische biologie macrobiologie microbiologie chemie Biochemie, biofysica, moleculaire biologie fysica
Een cel ziet er niet uit als zak enzymen;een bacterie niet
Een gistcel ook niet
Een levende cel doet meer dan biochemie, nl leven, maar wat is dat?
Replicerende zelfgecoordineerde autonome machine
Een levende cel onderscheidt zich van zijn omgeving; actief
Gewoon een zak enzymen? Metabolisme Gibbs energie transductie Transport Transcriptie Translatie Replicatie Signalering Alles geschiedt door enzymen dus. Inderdaad.?? Een principe
Wat gaan we doen: metabole routes uit het hoofd leren?
Wat gaan we doen: Principes begrijpen en herkennen!
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
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
A2. De zelfwerkzaamheid van het leven Levende organismen maken bijna alle chemische verbindingen die ze nodig hebben zelf Fig. 13-1! (uitzondering: vitamines)
A2. De zelfwerkzaamheid van het leven Fig. 13-1 Dus niet: hele eiwitten opeten en gebruiken!
A3. Elke reactie wordt gekatalyseerd door een eiwit Ongekatalyseerde processen meestal te traag Enzym Genproduct Fig. Page 356
A4. Water is overal Meeste levensstoffen zijn hydrofiel Fig. P22, Fig 1-6
A4. Water is overal Meeste levensstoffen zijn hydrofiel
A5. Hydrofobe membranen om alles bijeen te houden Meeste levensstoffen zijn hydrofiel Fig 10-10
A6. Subcompartimentatie Functie: Incompatibele reacties gescheiden Biochemie onder mee dan een conditie (ph) Vrije energie over membraan (electrische potentiaal) Nadeel: Extra transport nodig
A6. Subcompartimentatie Fig. 19-19
A7. Transport over biologische membranen wordt gekatalyseerd door een eiwit Translocator / transporteiwit / kanaal Fig. 10-36, 10-37 Snelheden anders te laag
A8. Actief versus passief transport Passief: Wel gekatalyseerd Geen aandrijving met Gibbs energie Actief: Gekoppeld aan vrije energie afstaande reactie
A9. Het betaalprincipe bij 500 voedingstoffen en 500 benodigde stoffen zouden er 500x500 = 250 000 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)
A9. Het betaalprincipe Fig. 19-19
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
A11. Antiparallel actief en passief transport X = 0, X = 0, X = e i 0
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
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
A13. Zelf energie maken, de thermodynamische beperkingen X = e X + i X e G = G > 0 i in steady state
A14. Meer dan 1 betaalmiddel nodig; voor elke relevante behoudswet tenminste 1
A15. Veel betaalmiddelen reizen op dragers
A16. Betaalmiddelen voor elementen
A17. Betaalmiddelen geleverd door katabole routes
A17. Betaalmiddelen geleverd door katabole routes
A17. Betaalmidde len geleverd door katabole routes
A17. Betaalmiddel en geleverd door katabole routes
A17. Betaalmiddellen geleverd door katabole routes
De principes van het metabolisme A. Algemene principes B. Koolstof- en energie metabolisme C. Controle en regulatie D. Redox E. De balans opmakend
B1. Metabolisme: van voedsel naar bouwstenen naar biomassa
B2. Overschotten worden uitgescheiden
B3. Geen zorg om behoud van protonen
B4. ATP: het dominante Gibbs energie betaalmiddel bij chemische reacties
B5. ATP en transmembraanprotonen: de dominante Gibbs energie betaalmiddelen bij actief transport
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 ' + 0.059 10 log ox red
Redoxmetabolisme Electronen willen dus bv. van NADH naar zuurstof, als er zuurstof Biochemische is, principes of nitraat of sulfaat
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)
B6. Twee soorten redoxmetabolisme, ademhaling en fermentatie
B7. Twee manieren om ATP te maken: protonkracht gedreven en substraatniveau fosforylering
B8. Hoogenergetische bindingen
B9. Bij fermentatie vindt vaak elektronverschuiving binnen het molecuul plaats
B9. Bij fermentatie vindt vaak elektronverschuiving binnen het molecuul plaats
B9. Bij fermentatie vindt vaak elektronverschuiving binnen het molecuul plaats
B9. Bij fermentatie vindt vaak elektronverschuiving binnen het molecuul plaats
B10a. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen
B10a. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen glucose wordt gesplitst in twee glyceraldehyde moleculen
B10b. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Elk glyceraldehyde molecuul wordt intern gefermenteerd tot melkzuur
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).
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.
B10e. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Eerste twee fosfaten worden gebonden aan het molecuul in de C6 vorm. Investering van Gibbs vrije energie.
B10f. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Tweede set fosfaten wordt gebonden tegelijkertijd met de dehydrogenase stap. Hoog energie fosfaten worden overgedragen op ADP.
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
B10h. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Gistcellen zetten pyruvaat om in ethanol.
B10. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen
B11. Enzymen verlagen G #
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 )
B12. Beperkt aantal types biochemische reactie oxidoreductases transferases ligases isomerases hydrolases lyases
B12. Beperkt aantal types biochemische reactie
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.
B14. Metabole routes bevatten irreversible stappen
B15. Tegengestelde routes bij afbraak en synthese
B15. Tegengestelde routes bij afbraak en synthese
B15. Tegengestelde routes bij afbraak en synthese
De principes van het metabolisme A. Algemene principes B. Koolstof- en energie metabolisme C. Controle en regulatie D. Redox E. De balans opmakend
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?
C2. Controle coëfficiënt: precisering van hoe sterk de controle is Enzym is belangrijk Enzym is onbelangrijk Flux versus enzyme activity 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5
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 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5
C3. Flux controle zit niet per se in de irreversibele stappen???
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.
C5. Elk eiwit wordt gecodeerd door een gen DNA RNA Enzyme Chemical 1 Process
Second law of Biology DNA Every enzyme is encoded by a gene RNA Enzyme Chemical 1 Process
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
C7. Regulatie door tegengestelde stappen differentieel te beinvloeden
C8. Regulatie enzymactiviteit door conformatieverandering
C9. Covalente modificatie enzymen en cascades
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.
De principes van het metabolisme A. Algemene principes B. Koolstof- en energie metabolisme C. Controle en regulatie D. Redox E. De balans opmakend
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+
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 2 + 4 e - + 4H + 2 H 2 O
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 2 + 4 e - C(H 2 O) n (biomassa) 2 H 2 O O 2 + 4 e - + 4H +
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 2 + 4 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)
D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme (Fig. 17-1) Ontvangt electronen van: Het katabolisme
D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme Betaalt electronen aan: de mitochondriële electron transport keten
D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme
D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme
D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme
D3. NADPH: dominant elektron betaalmiddel in het anabolisme
D3. NADPH: dominant elektron betaalmiddel in het anabolisme
D3. NADPH: glucose-6 fosfaat dehydrogenase deficiëntie X Patienten zijn overgevoelig voor zuurstofperoxideschade bv geïnduceerd door primaquine
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. -0.2 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 +0.81 V ) Koolstof wil daardoor dus graag aan zuurstof elektronen afstaan totdat dat niet verder kan: CO 2.
D4. Ademhaling kan veel Gibbs energie opleveren 100 mv komt overeen met ongeveer 10 kj/mol electron ATP: ongeveer met 40 kj/mol ATP
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)
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)
D5. Oxidatie van koolstof in verbindingen
D6. Bij ademhaling, wordt redox Gibbs energie geoogst door omzetting in elektrochemische proton gradient door de elektrontransferketen
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)
D7. Redox shuttles: Metabole routes om elektronen over het membraan te zetten of naar het membraan te brengen
D7. Redox shuttles: Metabole routes om elektronen over het membraan te zetten
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
De principes van het metabolisme A. Algemene principes B. Koolstof- en energie metabolisme C. Controle en regulatie D. Redox E. De balans opmakend
E1. De aërobe glycolyse (i.t.t. de fermentatieve glycolyse)
E2. De citroenzuurcyclus De citroenzuurcyclus oxideert acetyl = acetaat: CH 3 COOH: C 3 - - 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
E3. Koolstof metabolisme
E3. De citroenzuurcyclus en koolstofmetabolisme Het is een cyclus, dus er mag niet voortdurend netto C4 aan onttrokken worden Wel doorgangsroute voor C metabolisme
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
E4. Energie metabolisme
E4. Energie metabolisme ATP gebruik: Biosynthese (eiwit,, DNA, RNA, lipiden, koolhydraten) Beweging (actomyosine, flagellen) Actief transport Signaal transductie
E5. Metabolisme
E6. Gibbs energieopbrengst (in ATP equivalenten) Glucose oxidatie 36 ATP G o ' = 2845 kj / mol G o ' = 235 kj / mol Glucose fermentatie 2 ATP
E7. Katabolisme is matig efficiënt Berekening Gibbs energie glucose G = verbranding G = G 0 10 ' + 5.71 log 6 po2 6 pco 2 [ glu cose] 10 1 2845 + 5.71 log = 2845 99 = 2944kJ / mol 6 630 0.01 Berekening voor fermentatie naar alcohol 2 2 0 10 [ ethanol] pco 2 G = G ' + 5.71 log [ glu cose] = 10 1 = 235 + 5.71 log( ) = 235 28 = 261 kj 100 900 / mol
E7. Katabolisme is matig efficiënt Berekening efficiëntie glucose verbranding η = 36 40 1 2944 100% = 49 % Berekening efficiëntie fermentatie naar alcohol = η 2 40 1 261 100% = 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 = 2 40 1 2944 100% = 3 %
Verder Repertorium Oefenen en Blackboard Gele syllabus: bestudeer de principes Bestudeer de hoofdstukken uit het boek aan de hand van de principes