Hoofdstuk 1 Doelstelling 1: Stofwisseling (metabolisme): het geheel aan chemische processen in een cel. Via passief en actief transport nemen cellen stoffen op uit hun milieu. Enzymen maken de omzettingsprocessen mogelijk. Levende cellen nemen stoffen op uit hun omgeving, zetten stoffen om en geven stoffen af aan hun omgeving - ook energie wordt omgezet, opgenomen en afgegeven - cellen met chlorofyl kunnen energie in de vorm van licht opnemen - andere cellen moeten energierijke stoffen opnemen - de energie in energierijke stoffen wordt chemische energie genoemd, onbruikbare stoffen en warmte worden afgestaan aan de omgeving Assimilatie : de opbouw van organische moleculen uit kleinere moleculen - organische stoffen zijn koolstofverbindingen, bijvoorbeeld koolhydraten, vetten, eiwitten en DNA - resultaat: vorming van organische stoffen waaruit cellen bestaan, kunnen dienen als brandstof, reservestof, bouwstof of informatiedrager - bij assimilatie reacties wordt energie vastgelegd in de chemische energie van grotere moleculen atomen zijn met elkaar verbonden door energierijke bindingen - de koolwaterstofverbinding is energierijk Dissimilatie : de afbraak van organische moleculen tot kleinere moleculen - bij dissimilatie komt chemische energie uit stoffen beschikbaar voor processen in cellen - de energie die voor assimilatie nodig is kan van de dissimilatie komen - de bij dissimilatie vrijkomende energie is ook voor andere processen in de cel nodig, zoals veel transport - verbranding in de cellen is een dissimilatieproces waarbij zuurstof wordt verbruikt, de brandstof voor deze verbranding is meestal dissimilatie In cellen wordt chemische energie getransporteerd door ATP (adenosinetrifosfaat) - opbouw van ATP: ADP + Pi + energie ATP - afbraak van ATP: ATP ADP + Pi + energie Sinds hun eerste ontstaan beschikken cellen waarschijnlijk al over enkele basiskenmerken - aanwijzingen hiervoor worden gevonden in experimenten - in de niet-levende natuur kunnen met behulp van energie, eenvoudige organische stoffen worden gevormd uit anorganische stoffen - uit eenvoudige organische stoffen kunnen blaasjes worden gevormd waarin zich RNA bevind - de molecuulstructuur van informatiedragers en energiedragers zoals NAD+, DNA en ATP in moderne cellen, vertoont grote overeenkomsten met de structuur van RNA Organische stoffen : koolstofverbindingen, de moleculen bevatten een of meer ketens van koolstofatomen Anorganische stoffen : behoren niet tot organische stoffen. alleen enkele kleine moleculen waarin slechts één koolstofatoom voorkomt of slechts enkele koolstofverbindingen
Glucose : organische stof met een relatief korte koolstofatoom keten. In een glucosemolecuul komen zes koolstofatomen voor, hieraan vast zitten zuurstof- en waterstofatomen vastgebonden In een molecuulformule is van iedere soort atomen die in een molecuul voorkomen het aantal aangegeven in een structuurformule is met streepjes aangegeven welke atomen aan elkaar zijn gebonden. We spreken van een dubbele binding als twee atomen door twee bindingen aan elkaar zijn gebonden Fosforylering: van een eiwit is het plaatsen van een fosfaatgroep op een van de reactieve hydroxyl-groepen (OH) van de samenstellende aminozuren (tyrosine, threonine en serine) van dat eiwit. Doelstelling 2 Enzymen zijn eiwitten Een enzymmolecuul heeft daardoor een ruimtelijke vorm met veel knikken en lussen. In een bepaald deel van het enzymmolecuul bevindt zich het actieve centrum met een specifieke ruimtelijke structuur. Enzymen versnellen (katalyseren) stofwisselingsreacties zonder daarbij zelf te worden verbruikt - enzymen verlagen de hoeveelheid activeringsenergie die nodig is om een reactie op gang te brengen Enzymatisch reacties zijn vaak evenwichtsreacties - een enzym heeft geen invloed op de ligging van het evenwicht, wel op de snelheid waarmee het evenwicht zich instelt - enzymen zijn reactiespecifiek: elk enzym kan slechts één evenwichtsreactie beïnvloeden Een enzym wordt genoemd naar het substraat (de stof waar het enzym op inwerkt) - de naam van het enzym krijgt het achtervoegsel -ase - de stof die ontstaat bij een reactie, noemen we een prouct van de reactie Enzymen zijn eiwitmoleculen met een specifieke ruimtelijke structuur - een enzymmolecuul heeft een actief centrum, dat tijdelijk een binding aangaat met een substraatmolecuul. er ontstaat dan een enzym-substraatcomplex Sommige enzymen hebben een cofactor nodig om werkzaam te zijn. Als de cofactor een organische stof is, wordt het een co-enzym genoemd - cofactor : als een enzym voor zijn werking een ander molecuul nodig heeft, bijvoorbeeld een metaalion of een vitamine - co-enzym : als de cofactor een organische stof of anorganische stof is, noem je het een co-enzym, bijvoorbeeld een vitamine of een hormoon - apo-enzym : het enzymmolecuul met het actieve centrum Doelstelling 3 De enzymactiviteit kan worden uitgedrukt in: - de hoeveelheid substraat die per tijdseenheid wordt omgezet - de hoeveelheid reactieproduct die per tijdseenheid ontstaat De enzymactiviteit kan worden afgeleid uit de tijd die een bepaalde hoeveelheid enzym nodig heeft om een bepaalde hoeveelheid substraat om te zetten
Temperatuur : beïnvloedt de enzymactiviteit volgens een optimumkromme - in de optimumkromme zijn drie punten te onderscheiden, de temperatuur waaronder het enzym geen activiteit heeft, is het minimum. het optimum is de temperatuur waarbij de activiteit van de enzymmolecuul het grootst is en het maximum is de temperatuur waarbij geen enzymactiviteit meer meetbaar ir - onder de minimumtemperatuur is er geen enzymactiviteit, doordat de beweging van de moleculen te traag is voor de vorming van enzym-substraatcomplexen - bij hogere temperatuur zetten de intacte enzymmoleculen sneller substraatmoleculen om - bij nog hogere temperatuur verliezen steeds meer enzymmoleculen hun specifieke ruimtelijke structuur (denatureren), deze verandering is irreversibel (onomkeerbaar) - boven de maximumtemperatuur hebben alle enzymmoleculen hun specifieke ruimtelijke structuur verloren Zuurgraad (ph): - een oplossing die veel H+ ionen bevat, is zuur. de ph is dan lager dan 7 - een oplossing die veel OH ionen bevat, is basisch. de ph is dan hoger dan 7 - de ruimtelijke structuur van enzymmoleculen blijft alleen bij een bepaalde ph in stand Bepaalde stoffen kunnen de enzymactiviteit beïnvloeden - activering : de ruimtelijke structuur van een enzymmolecuul wordt zodanig veranderd, dat sneller enzym-substraatcomplexen (E-S) kunnen worden gevormd (bijv. sommige hormonen, vitaminen, geneesmiddelen) - remming : remstoffen veranderen de ruimtelijke structuur van enzymmoleculen, waardoor geen enzym-substraatcomplexen (E-S) meer kunnen worden gevormd (bijv. zware metalen). deze verandering is irreversibel Doelstelling 4 Autotrofe organismen die energie verkrijgen voor de koolstofassimilatie door gebruik te maken van licht, noem je foto-autotroof Fotosynthese is koolstofassimilatie met behulp van lichtenergie. Brutoreactievergelijking is: 6 CO2 + 6 H2O C 6H12O6 + 6 O2 Fotosynthese vindt plaats in cellen van planten en in sommige bacteriën, deze bevatten chlorofyl. Bij planten ligt dit chlorofyl in de membranen van chloroplasten - verschillende fotosynthetische pigmenten (o.a. chlorofyl en caroteen) absorberen lichtenergie - de absorptie centra van fotosynthetische pigmenten licht bij violet, blauw en rood licht - de glucose die bij fotosynthese ontstaat, wordt meestal direct omgezet in zetmeel Lichtreacties : lichtenergie wordt vastgelegd in energierijke stoffen (elektronenacceptoren) - andere fotosynthetische pigmenten dragen de energie die ze hebben geabsorbeerd over aan chlorofyl - in chlorofylmoleculen worden energierijke elektronen gevormd - chlorofyl kan de energierijke elektronen over dragen aan elektronenacceptoren (ADP en NADP+)
- in chlorofyl worden de elektronen aangevuld vanuit watermoleculen, die hiervoor worden gesplitst in waterstof en zuurstof - je hebt twee fotosystemen. je begint met fotosysteem 2, hier splitst water en ontstaan waterstof ionen, elektronen en zuurstof. De elektronen worden energierijk gemaakt. De elektronen verliezen hun energie als zij worden doorgegeven aan elektronentransportketen, in de richting van fotosysteem 1. In fotosysteem 1 worden ze weer energierijk gemaakt. Deze energierijke elektronen worden afgestaan aan NADP+ en je krijgt dan NADPH. NADPH transporteert energierijke elektronen en waterstofionen naar de donkerreacties. Fotosysteem 1 is de niet-cyclische fotofosforylering - Als het elektron steeds terugkeert naar zijn plaats in de elektronentransportketen, spreek met van cyclische fotofosforylering. - ATP-synthase benut, het concentratieverschil van waterstofionen als energiebron voor de vorming van energierijk ATP. Donkerreacties: uit CO2-moleculen worden glucosemoleculen opgebouwd - de energie die hiervoor nodig is, wordt geleverd door de energierijke producten van de lichtreacties (ATP en NADPH) - voor donkerreacties is geen licht nodig - de donkerreacties vinden aansluitend op de lichtreacties plaats - de donkerreacties vinden plaats in de vloeistof van chloroplasten, ze vormen een cyclische keten van reacties die de calvincyclus wordt genoemd Doelstelling 5 Chemosynthese : koolstofassimilatie met behulp van energie, verkregen uit de oxidatie (verbinding met zuurstof) van een anorganische stof. Chemosynthese komt voor bij bepaalde soorten bacteriën, deze noemen we chemo-autotroof - zwavelbacteriën oxideren met waterstofsulfide (H2S) tot zwavel (S) en vervolgens tot zwavelzuur (H2SO4) - op de bodem van de oceaan vormt de oxidatie van methaan en waterstofsulfide de basis voor cold seeps en white smoker -ecosystemen - nitrietbacteriën oxideren ammoniak (NH3) of ammoniumionen (NH4) tot nitrietionen (NO2) - nitraatbacteriën oxideren nitrietionen tot nitraationen (NO3) Voortgezette assimilatie: de vorming van andere koolhydraten, vetten, eiwitten en DNA uit glucose, stikstof (N) en fosfor (P). Hierbij is ATP de energiebron Assimilatie van koolhydraten - uit twee monosachariden (bijv. glucose, fructose) kunnen disachariden (bijv. sacharose) worden gevormd. Daarbij ontstaan ook een watermolecuul (dit is een condensatiereactie) - condensatiereacties zijn assimilatie reacties waarbij een klein molecuul wordt afgesplitst, dit is meestal water - polymerisatie is het samenvoegen van kleine koolwaterstoffen tot een lange keten - door polymerisatie kunnen polysachariden worden gevormd (bijv. zetmeel, glycogeen, cellulose) - bij planten dient zetmeel als koolhydraatreserve en bij dieren glycogeen Eiwitten kunnen veel verschillende functies in een organisme vervullen - structuureiwitten : vervullen een functie als bouwstof
- receptoreiwitten : bevinden zich in de celmembranen en reageren op de aanwezigheid van bijvoorbeeld hormonen - transporteiwitten : vervoeren stoffen - plasma-eiwitten en antistoffen : maken deel uit van het bloedplasma - peptidebinding : binding tussen carboxylgroep van het ene aminozuur en de aminogroep van het andere aminozuur. Twee aan elkaar gekoppelde aminozuren vormen een dipeptide; meerdere aminozuren een polypeptide - primaire structuur : van een eiwitmolecuul wordt bepaald door de typen aminozuren die voorkomen in de polypeptideketens en de volgorde waarin deze aminozuren voorkomen - secundaire structuur : de specifieke spiraalvorm van een polypeptideketen - tertiaire structuur: ontstaat doordat sommige aminozuren bindingen aangaan met aminozuren die vele windingen verderop in de polypeptideketen liggen (deze binding wordt een zwavelbrug genoemd) - quartaire structuur : daaronder verstaan de specifieke manier waarop meerdere polypeptideketens samen één eiwit vormen Assimilatie van eiwitten - eiwitten zijn polymeren van aminozuren. Er zijn twintig verschillende aminozuren - AMinozuren bestaan uit een C-atoom, een aminogroep (NH2), een carboxylgroep (COOH2) een H-atoom en een restgroep - planten kunnen aminozuren assimileren uit glucose en nitraationen. - dieren kunnen alleen aminozuren assimileren uit andere aminozuren. Andere essentiële aminozuren moeten dus in het voedsel aanwezig zijn - bij polymerisatie van sachariden, aminozuren en nucleïnezuren ontstaat water Assimilatie van vetten (lipiden) - een vetmolecuul is opgebouwd uit glycerol en drie vetzuren (bij fosfolipiden is één vetzuur vervangen door fosforzuur) - vetten worden opgeslagen als reserve brandstof - vetten die een functie hebben als hormoon worden steroïdhormonen genoemd - celmembranen zijn opgebouwd uit fosfolipiden. Cholesterol is een vetachtige stof - vetzuurstaarten zijn hydrofoob (waterafstotend) - bij een onverzadigd vetzuur komen tussen de C-atomen een of meer dubbele bindingen voor. Meervoudige onverzadigde vetzuren hebben meerdere dubbele bindingen in de koolstofketen - Oliën : lipiden met onverzadigde vetzuren die bij kamertemperatuur vloeibaar zijn Doelstelling 6 In organische moleculen bevindt de chemische energie zich vooral in energierijke elektronen - bij dissimilatie reacties worden energierijke elektronen, meestal samen met waterstofionen overgedragen aan elektronenacceptoren (waterstofacceptoren) zoals NAD+ en NADP+ De aerobe dissimilatie van glucose wordt ook wel verbranding genoem. Brutoreactievergelijking: C 6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energie De aerobe dissimilatie bestaat uit glycolyse, de vorming van acetylco-enzym A, de citroenzuurcyclus en de oxidatieve fosforylering
Glycolyse : een glucosemolecuul wordt gesplitst in twee pyrodruivenzuur moleculen - de glycolyse vindt plaats in het cytoplasma. Voor de glycolyse is geen zuurstof nodig - het eindproduct van de glycolyse is pyrodruivenzuur Pyrodruivenzuur wordt met behulp van co-enzym A in de citroenzuurcyclus opgenomen. Daarbij ontstaat citroenzuur. Citroenzuurcyclus (krebscyclus) : citroenzuur wordt afgebroken tot koolstofdioxidemoleculen - energierijke elektronen worden overgedragen aan elektronenacceptoren (NAD+ en FAD) - de citroenzuurcyclus vind plaats in de vloeistof (matrix) in de mitochondriën Oxidatieve fosforylering (elektronentransportketen): energierijke elektronen staan hun energie geleidelijke af voor de vorming van ATP uit ADP en een fosfaatgroep (Pi) - uiteindelijk worden de elektronen (samen met waterstofionen) gebonden aan zuurstof. Hierbij ontstaan watermoleculen - de oxidatieve fosforylering vindt plaats in het binnenmembraan van de mitochondriën De dissimilatie van een glucosemolecuul levert de energie voor de vorming van ATP-moleculen - bij glycolyse worden netto 2 ATP-moleculen gevormd - bij de citroenzuurcyclus en de oxidatieve fosforylering kunnen theoretisch 38 ATP-moleculen worden gevormd. Door energiegebruik voor transport en warmteproductie bij energieomzetting, valt de ATP-opbrengst van aerobe dissimilatie meestal lager uit Doelstelling 7 Anaerobe dissimilatie van glucose : hierbij vindt alleen glycolyse plaats - per glucosemolecuul worden slechts twee ATP-moleculen gevormd - er blijven energierijke eindproducten over: alcohol of melkzuur Alcoholgisting : het eindproduct van glycolyse (pyrodruivenzuur) wordt omgezet in ethanol - bij deze omzetting komt CO2 vrij en wordt NAD+ gevormd - alcoholgisting wordt toegepast bij de bereiding van bier, wijn en brood Melkzuurgisting : pyrodruivenzuur wordt omgezet in melkzuur - bij deze omzetting wordt NAD+ gevormd - melkzuurgisting wordt toegepast bij de bereiding van kaas, yoghurt en zuurkool - melkzuurgisting vindt ook plaats in spieren, wanneer er in korte tijd veel energie moet worden geleverd Dissimilatie van eiwitten - eiwitten worden gesplitst in aminozuren - van de aminozuren wordt de aminogroep afgesplitst en omgezet in ammoniak - de overblijvende koolstofketen wordt omgezet in pyrodruivenzuur, in azijnzuur of in een andere stof en verder gedissimileerd in de citroenzuurcyclus Dissimilatie van vetten - vetten worden gesplitst in glycerol en vetzuren
- glycerol wordt omgezet in pyrodruivenzuur - van de vetzuren worden C2- moleculen afgesplitst die worden omgezet in azijnzuur Doelstelling 8 Basale metabolisme (grondstofwisseling) : de stofwisseling van een individu in rust De intensiteit van het basale metabolisme van een individu is afhankelijk van: - het gewicht, de leeftijd, het geslacht, de lichaamstemperatuur (bij homoiotherme dieren is die temperatuur constant; bij poikilotherme dieren is die ongeveer gelijk aan de omgevingstemperatuur), de tijd van het jaar of de tijdstip van de dag. De intensiteit van het basale metabolisme kan worden uitgedrukt in het aantal kilogram verbruikte zuurstof per minuut per kilogram lichaamsgewicht