www.VETserieus.nl  

 

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 

vetserieus@gmail.com 

 

De  student  is verantwoordelijk voor  zijn of haar  leermethode en voor het 

uiteindelijke resultaat. Allemaal veel succes met de voorbereidingen!! 

 

Hartelijke groet, 

 

VETserieus.nl 

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 

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.   

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.          

  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.  

 

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 2e 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.  

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 

 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 

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 XY verlaagd, deze ook  YX  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.  

  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.  

 

 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.  

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.  

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.   

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. 

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.   

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 twee‐koolstof  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%.   

  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.  

 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 

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 : Fe2+ → Fe3+ + e‐  Fe2+ is hier de reductor. Het staat één elektron af en wordt daarbij geoxideerd tot Fe3+. 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.  

  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 

  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! 

 enolase  Stap 10: vorming pyruvaat 

 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.  

 

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.  

 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.   

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 pentose‐fosfaat‐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+.  

 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 

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  niet‐oxidatieve 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 

mitochondria hebben zijn ze voor energie productie afhankelijk van de glycolyse. Door een remming van de werking  van pyruvaat  kinase  is de  energie productie  in de  cellen niet  voldoende. Doro  te weinig energie voor onderhoud van bijvoorbeeld het celmembraan krijgen de rode bloedcellen een andere vorm. Deze cellen zijn gevoelig voor phagocytose door het eigen  lichaam, afbraak van rode bloedcellen vindt dus plaats. Tevens  is er een opeenhoping van  tussenproducten van de glycolyse voor stap 10 (in het bijzonder 2,3 BPG). Deze opeenhoping zorgt wel voor een verminderde affiniteit van  hemaglobine  voor  zuurstof,  waardoor  deze  sneller  aan  het  weefsel  wordt  afgegeven. Zuurstoftekort wordt hierdoor wel verminderd.  

  De verhoudingen tussen gluconeogenese en glycolyse worden gereguleerd. Deze regulatie vindt niet plaats  door  thermodynamische  wetten  want  deze  hebben  beiden  een  negatieve  delta  G  onder cellulaire omstandigheden. Hierdoor zouden ze beiden cyclisch kunnen plaats vinden. De regulering vindt dus plaats via de werking van enzymen. De snelheid van de glycolyse wordt bepaald door de hoeveelheid  glucose  terwijl  de  snelheid  van  de  gluconeogenese  juist  gereguleerd wordt  door  de hoeveelheden glucogene precursors.  

De  interconventie van F6P en FBP wordt sterk gereguleerd. Deze stap  is  reversibel en daarom een belangrijk  kruispunt  tussen  de  gluconeogenese  en  glycolyse.  Hoge  levels  van  AMP  (lage  energie) stimuleren de glycolyse en remmen de gluconeogenese. Andersom geld dit voor ATP en citraat wat een hoge energie voorraad indiceert.  Dezelfde  regulering  vindt  plaats  in  stap  10  van  de  glycolyse  tussen    PEP  (fosfoenolpyruvaat)  en pyruvaat. ATP en alanine remmen pyruvaatkinase. Hoge levels van acetyl‐ CoA stimuleren het enzym pyruvaat  corboxylase  (eerste  enzym/stap  gluconeogenese)  en  hoge  levels  van  ADP  (laag  energie niveau)  remt  dit  enzym  juist.  Fosfoenolpyruvaat  carboxykinase  (zet  oxaalacetaat  om  naar  PEP) wordt tot slot geremd door ADP.   De reden waarom PFK de regulering voornamelijk bepaald en niet HK  is omdat als HK de glycolyse snelheid zou bepalen en het zou stoppen‐ remmen‐ dan zouden ook glyconenese (glycogeen) en het PPP niet meer  kunnen plaats  vinden  en die  kunnen dat wel wannneer PFK  glycolyse bepaald. HK reageert alleen wannneer G‐6‐P ophoopt, maar de gehele regulering  ligt aan PFK (dit  is dan ook de rate limiting step)  De  gluconeogenese  in  het  kort wordt  dus  bevorderd  door  hoge  energielevels  (veel  ATP)  en  veel biosynthetische precursors, glycolyse wordt gestimuleerd door lage ATP levels.   COLLEGE 10 In  afwezigheid  van  zuurstof  (anaeroob)  produceren  cellen  lactaat  of  ethanol  in  gist.  In  de aanwezigheid van zuurstof gebruiken de cellen zuurstof en produceren ze Co2 en water, dit gebeurt in de citroenzuurcyclus (krebcyclus/TCA).  Deze cyclus is verantwoordelijk voor ongeveer 2/3 van de oxidatie van koolstofdelen en de voornaamste eindproducten zijn Co2 en hoog‐energie elektronen in de  vorm  van NADH. Het  vindt  plaats  in  de mitochondria. De NADH wordt  vervolgens  door  een transportketen  gehaald waar het  aan O2 bindt en H2O  vormt. De  citroenzuurcyclus  zelf  verbruikt geen O2 maar heeft het wel nodig omdat er geen andere manier om efficiënt de gevormde NADH terug te generen naar NAD+ en van zijn elektronen af te komen. NAD+ is nodig om de cyclus te laten verlopen. De citroenzuurcyclus is in z’n geheel verantwoordelijk voor de oxidatie van koolstofatomen aan  acetyl‐CoA  tot  CO2.  Acetyl  CoA wordt  echter  niet  direct  geoxideerd maar  eerst  aan  een  4‐koolstof molecuul (oxaalacetaat) gebonden om citroenzuur (citraat) te vormen. (stap 1)  

 De  citroenzuurcyclus bestaat uiteindelijk uit 8  reacties waarbij  citraat geleidelijk geoxideerd wordt  en de energie hieruit afkomstig gevangen wordt in carrier moleculen (NADH,  FADH2 en GTP).  GTP lijkt heel erg op ATP en de fosfaatgroep wordt dan ook aan ADP gebonden: GTP + ADP ‐> GDP + ATP.  FADH2 en NADH zullen verder gebruikt worden in het proces oxidatieve fosforylering om ten slotte eveneens ATP  te produceren, wat de enige stap  is  in het katabolisme dat directe zuurstof vereist. 

(let hierbij op dat  in bovenstaand  figuur duidelijk  is dat bijvoorbeeld de  vorming  van  citraat geen directe  zuurstof maar water  vereist). Dit  brengt  tevens  een  ander misverstand  aan  het  licht wat betreft cellulaire respiratie. Er  is O2 nodig en er wordt Co2 geproduceerd. De O2 wordt echter niet direct in CO2 gecorporeerd, maar in water.  Naast pyruvaat kunnen ook sommige aminozuren het mitochondrium ingaan als intermediairen van de  citroenzuurcyclus,  dus  het mitochondrion  is  het  centrum  waarnaar  alle  energieproducerende processen in de cel gericht zijn, ongeacht of deze stoffen beginnen als vet, suiker of eiwit.  De citroenzuurcyclus  is tevens een belangrijk beginpunt voor de biosynthetische reacties die  in het cytosol plaatsvinden. (voorbeelden: oxaalacetaat en alpha‐ketogluteraat).   Nu verder eerst maar even de citroenzuurcyclus als naslagwerk bij de verdere tekst:  

 

  Ondans dat er geen fosfaatgroep gebonden is in één van de tussenreacties wordt GTP toch uit GDP gevormd. Dit wordt gedaan met een vrije fosfaatgroep in oplossing.  

 

Reaction  2:  Acontinase  The  next  reaction  of  the  citric  acid  cycle  is  catalyzed  by  the  enzyme acontinase. In this reaction, a water molecule is removed from the citric acid and then put back on in another location. The overall effect of this conversion is that the –OH group is moved from the 3' to the 4' position on the molecule. This transformation yields the molecule isocitrate.  

  

 Figure 2.3: Reaction 2.  

Reaction 3: Isocitrate Dehydrogenase Two events occur  in reaction 3 of the citric acid cycle.  In the first reaction, we see our first generation of NADH from NAD. The enzyme isocitrate dehydrogenase catalyzes  the oxidation of  the  –OH  group  at  the  4' position of  isocitrate  to  yield  an  intermediate which then has a carbon dioxide molecule removed from it to yield alpha‐ketoglutarate.  

  

 Figure 2.4: Reaction 3.  

Reaction  4:  Alpha‐ketoglutarate  deydrogenase  In  reaction  4  of  the  citric  acid  cycle,  alpha‐ketoglutarate  loses  a  carbon  dioxide  molecule  and  coenzyme  A  is  added  in  its  place.  The decarboxylation occurs with the help of NAD, which is converted to NADH. The enzyme that catalyzes this reaction is alpha‐ketoglutarate dehydrogenase. The mechanism of this conversion is very similar to  what  occurs  in  the  first  few  steps  of  pyruvate metabolism.  The  resulting molecule  is  called succinyl‐CoA.  

  

 Figure 2.5: Reaction 4.  

Reaction 5: Succinyl‐CoA Synthetase The enzyme succinyl‐CoA synthetase catalyzes the fifth reaction of the citric acid cycle. In this step a molecule of guanosine triphosphate (GTP) is synthesized. GTP is a molecule that is very similar in its structure and energetic properties to ATP and can be used in cells in much the same way. GTP synthesis occurs with the addition of a free phosphate group to a GDP molecule  (similar to ATP synthesis  from ADP).  In this reaction, a  free phosphate group  first attacks the succinyl‐CoA molecule releasing the CoA. After the phosphate  is attached to the molecule,  it  is transferred to the GDP to form GTP. The resulting product is the molecule succinate.  

  

 Figure 2.6: Reaction 5.  

The enzyme succinate dehydrogenase catalyzes the removal of two hydrogens from succinate in the sixth reaction of the citric acid cycle. In the reaction, a molecule of FAD, a coenzyme similar to NAD, is  reduced  to  FADH2  as  it  takes  the  hydrogens  from  succinate.  The  product  of  this  reaction  is fumarate.    

 Figure 2.7: Reaction 6.  

FAD, like NAD, is the oxidized form while FADH2 is the reduced form. Although FAD and NAD perform the  same  oxidative  and  reductive  roles  in  reactions,  FAD  and  NAD work  on  different  classes  of molecules. FAD oxidizes carbon‐carbon double and  triple bonds while NAD oxidizes mostly carbon‐oxygen bonds.  Reaction 6: Succinate Dehydrogenase The enzyme succinate dehydrogenase catalyzes the removal of  two  hydrogens  from  succinate  in  the  sixth  reaction  of  the  citric  acid  cycle.  In  the  reaction,  a molecule of FAD, a coenzyme similar  to NAD,  is  reduced  to FADH2 as  it  takes  the hydrogens  from succinate. The product of this reaction is fumarate.  

Reaction  7:  Fumarase  In  this  reaction,  the  enzyme  fumarase  catalyzes  the  addition  of  a  water molecule to the fumarate in the form of an –OH group to yield the molecule L‐ malate.  

  

 Figure 2.8: Reaction 7.  

Reaction  8: Malate  Dehydrogenase  In  the  final  reaction  of  the  citric  acid  cycle,  we  regenerate oxaloacetate by oxidizing L–malate with a molecule of NAD to produce NADH.  

  

 Figure 2.9: Reaction 8.  

Conclusion We  have  now  concluded  our  discussion  of  the  reactions  that  compose  the  citric  acid cycle.  It  is  helpful  at  this  point  to  take  a minute  to  take  stock  of what  the  citric  acid  cycle  has generated from one acetyl‐CoA molecule.  

The acetyl‐CoA, has been oxidized to two molecules of carbon dioxide.   Three molecules of NAD were reduced to NADH.   One molecule of FAD was reduced to FADH2.   One molecule of GTP (the equivalent of ATP) was produced.  

Keep  in mind  that  a  reduction  is  really  a  gain  of  electrons.  In  other  words,  NADH  and  FADH2 molecules  act  as  electron  carriers  and  are  used  to  generate  ATP  in  the  next  stage  of  glucose metabolism, oxidative phosphorylation. In the next SparkNote on Oxidative Phosphorylation and the electron  transport  chain,  we  will  learn  what  processes  take  place  to  ultimately  derive  the  the majority of the ATP we need to fuel our daily activity.    De C‐atomen die gebruikt zijn voor de vorming van CO2 zijn afkomstig van acetylCoA welke weer in de cyclus afkomstig is van vetzuren en pyruvaat. Aconitase (stap 2) verplaatst het OH molecull altijd naar het deel van citraat welke afkomstig is van oxaalacetaat.   De somreactie voor de oxidatie van pyruvaat is:  Pyruvate + CoA + NAD+  → CO2 + Acetyl‐CoA + NADH + H+ (voor het PDH‐complex)  Acetyl‐CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H20  <==> CoASH + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + 3H

+ (citroenzuurcyclus)  

Netto: Pyruvate + CoA + 2 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H20  → 2 CO2 + 4 NADH + 4 H+ CoASH +  FADH2 + GTP + 2CO2   Als je dan zoals in de zelfstudie gevraagd wordt helemaal terug te gaan naar het beginpunt glucose is dit de volledige netto reactie van de glycolyse + citroenzuurcyclus:  

Glycolyse: C6H12O6 (glucose) + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P ‐> 2 pyruvaat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ 

Netto: glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P + 2 CoA + 4 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP + 2 Pi + 4 H20  ‐> + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 4 CO2 + 8 NADH + 8 H+ 2 CoASH + 2 FADH2 + 2 GTP  Let hierbij op dat de glycolyse 2 pyruvaat oplevert en per cyclus in de TCA 1 gebruikt wordt!!! De cylcus wordt dus tweemaal doorlopen uit 1 glucose molecuul!!!  print  pagina  14  en  15  van  college  10  uit,  deze  plaatjes  zijn  niet  op  internet  te  vinden  en  zeer handige ezelsbruggen! Ander ezelsbruggetje: A certificate in Kamasutra should further my orgasm!  De  verdere  productie  van  ATP  vindt  plaats  in  de  elektronentransportketen.  De  details  volgen  in volgend college, hier alvast een klein voorproefje. In de keten worden NADH en FADH2 gereduceerd terwijl  ze  andere  moleculen  oxideren  (redox)  waarbij  de  elektronen  worden  overgedragen.  De elektronentrasnportketen is gelokaliseerd in het binnenmembraan van het mitochondrion.  

 De  elektronen  gaan  opeenvolgend  langs  de  keten waarbij  ze  geleidelijk  vervallen  tot  een minder hoge  energie  status.  De  energie  die  ze  hierbij  kwijtraken wordt  gebruitk  om  H+  ionen  langs  de celmebraan naar buiten te drijven (van het binnencompartiment naar het buiten compartiment maar blijft  in het mitochondrion). Een gradient van H+ wordt daarbij gegenereerd wat op zijn beurt weer als  energiebron  gebruikt  kan  worden  om  voornamelijk  ATP  te  vormen.  Aan  het  eind  van  deze overdrachten worden de elektronen aan O2 gebonden welke  in het mitochondrion gediffuseerd  is. Het door de  elektronen  gereduceerd  zuurstof bindt direct  aan H+ waardoor het water  vormt. De elektronen  hebben  op  dit  punt  hun  energiestatus  verloren  en  alle  energie  is  gebruikt  in  het mitochondrion. Dit heet oxidatieve fosforylatie!!! De meeste energie van glucose komt uit dit proces (30 ATP) terwijl de glycolyse en krebcyclus alleen 2 ATP opleveren. Bovendien leveren de glycolyse en kreb’s meer reducerend vermogen op in de vorm van NADH en FADH2 dan direct ATP.    

  De zuurstof nodig voor deze reactie komt dus terecht in H2O en niet Co2.    Omdat het ATP niveau van de cel continu op peil gehouden wordt zijn er mogelijkheden tot opslag van energie. Dit kan in zowel vetzuren als glycogeen. Glycogeen kan worden afgebroken tot G‐1‐P en verder gebruikt in de glycolyse. Veel belangrijker en omvangrijker is de opslag van energie in de vorm van vet. Dit  is omdat de oxidatie van een gram vet ongeveer twee keer zowel energie oplevert dan die van glycogeen én omdat bij de opslag van glycogeen ontzettend veel water gebonden wordt (6x zoveel) dan bij vet en de netto opslagmassa voor vet dus veel kleiner en efficiënter is. Om deze reden hebben mensen ook gemiddeld een glycogeenvoorraad voor een dag en een vetvoorraad voor een maand.  Het meeste  vet  wordt  opgeslagenin  vetweefsel  (adipose  tissue)  van  waaruit  het  vrijkomt  in  de bloedsomloop voor cellen. (op de planten zal ik verder niet ingaan, lijkt me irrelevant maar voor wie wil p. 446 alberts).   

 

Naast  productie  van  ATP  heeft  katabolisme  natuurlijk  ook  de  functie  tot  het  genereren  van bouwstoffen benodigd voor synthese.  Wanneer intermediairen van de krebcyclus gebruikt worden voor synthese zullen deze wel aangevuld moeten worden om de cyclus blijvend te laten lopen. Een voorbeeld hiervan is pyruvaat carboxylase welke pyruvaat direct omzet in oxaalacetaat indien deze voor synthese gebruikt wordt.   Tot slot nog even de regulatie van metabolisme, wat natuurlijk zeer nauwkeurig gebeurd: Veel  producten  van  een  van  de  processen  zijn  eveneens  intermediairen  of  beginproducten  van andere  processen.  Er  is  dus  voortdurende  competitie  voor  een  stof.  Toch  gaat  dit  via  een geïntrigeerd netwerk zere gerugeeld. Het complete overzicht is veel te ingewikkeld. Belangrijk is door alle samenwerking dat de cel buitengewoon stabiel is!  COLLEGE 11 Tijdens de glycolyse en krebcyclus vinden oxidaties van moleculen glucose plaats waarbij in totaal 10 NADH en 2 FADH2 wordt geproduceerd. Deze stoffen moeten gereoxideerd worden om weer Nad+ en  FAD+  te  kunnen  vormen welke nodig  zijn  voor het behoudt  van metabolisme. De uiteindelijke oxidatie zorgt voor maar liefst voor 26 ATP van de totale gevormde 30 ATP, een groot deel dus.   Oxidatieve fosforylering (OF) is het proces waarin dit gebeurt, mitochondria.  Tijdens OF wordt er een protongradiënt avn H+ gecreeërd welke enrgie oplevert voor productie van ATP. De H+ glijdt het membraan binnen via ATPsynthase een uniek eiwit dat door transport van H+ energie haalt om ATP van te maken.   Dit proces, waarbij een  gradiënt  voor energei  gebruikt wordt heet  chemiosmotisch  koppelen. Dit systeem vindt in zowel cellen als bacteriën plaats (|dan in het plasma mebraan want ze hebben geen mitochondria).  Het protongradiënt is door bijvoorbeeld Na+ en K+ nooit nul.  OF maakt gebruik van stapsgewijze vormen van transport. Dit omdat anders de meeste energie als warmte  vrij  zou  komen  (het wordt  niet  goed  opgeslagen  of  vastgehouden)  en  dus  niet  efficiënt werkt.   Mitochondria  zijn  hoog  gespecialiseerde  cellen  die  hun  eigen  RNA  en DNA  bevatten,  ribosomen, eigen transcriptie/translatie systeem, synthese van eigen eiwitten en veranderen steeds van vorm en positie. Ook hebben ze de mogelijkheid om ergens vast te zitten op plaatsen waarbij veel plotselinge ATP nodig  is zoals  in hartspier. Mitochondria bestaan uit  twee hoog gespecialiseerde membranen, een  buiten  en  een  binnen mebraan. Het  buitenmebraan  bevat  onder  andere  het  transport  eiwit porine welke waterige kanalen door de lipide bilaag vomrt. Hierdoor is de intralecellulaire omgeving van het mitochondrium hetzelfde als die van het celcytosol. Het binnenmembraan is de locatie voor protonen transport en bevat het eiwit ATPsynthase. Het bevat een hele reeks aan vouwen, christae, zodat  de  oppervlaktegrootte  van  de  binnenmebraan  sterk  wordt  vergroot.  Er  is  dus  een  groter oppervlak6te voor ATP synthese.   Mitochondria gebruiken pyruvaat en vetzuren als energiebron, welke eerst langs het binnenmebraan gaan om omgezet te worden tot het cruciale acetyl CoA. De acetylgroepen van acetyl‐CoA worden vervolgens eerst in de krebcyslus geoxideerd. De koolstof atomen in Acetyl CoA worden omgezet in CO2  welke  als  afvalproduct  wordt  uitgescheiden.  De  NADH  en  FADH2  gaan  de  elektronen transportketen  in. De elektronen gaan snel door de keten heen om aan O2  te binden en water  te vormen. Hierbij wordt NADH en FADH2 weer NAD+ en FAD+.  

  De  eiwitten  die  in  de  transportketen  gebruikt worden  zijn  onder  te  verdelen  in  3  grote  groepen enzymen:  

1. NADH dehydrogenase complex. Van NADH wordt een H+ afgesplitst samen met twee hoge energie elektronen. H+ + 2e –. De nadh dehydrogenase accepteert vervolgens de elektronen.  

  2. Cytochrome b‐c1 complex 3. Cytochrome oxidase complex. In deze stap wordt er uiteindelijk zuurstof gebruikt.  

Ze bevatten allemaal metaalionen en andere chemische groepen die het  transport van elektronen mogelijk maken.   

  

 Elke elektrontransfer is een redoxreactie waarbij één molecuul geoxideerd en de ander gereduceerd wordt. Elektronen verplaatsen zich hierbij vrij gemakkelijk van moleculen met een lage affiniteit naar moleculen met een hoge affiniteit. Elke onderdeel van de keten gebruikt de energie vrijgekomen bij elektronen  transport  om  protonen  uit  water  naar  buiten  (buiten  het  binnenmebraan!!!  Niet mitochondrion)  te pompen. Het actieve pompen van deze protonen heeft twee consequenties:  

1. Het genereert een pH gradiënt waarbij de pH binnen (matrix, pH 7) lager is dan de pH buiten (tussen membraanruimte, pH 8. ).  

2. Het  genereert  een  membraanpotentiaal  met  de  binnenzijde  negatief  (matrix)  en  de buitenzijde positief (intermembraan ruimte) 

Dit gradiënt maakt het voor H+ zeer aantrekkelijk om weer naar binnen de matrix te verhuizen. Het enzym dat er voor zorgt dat deze terugkeer van H+ naar binnen ATP synthese mogelijk maakt is ATP synthase. Dit enzym creeërt een hydrofiele  route van buiten naar binnen het membraan voor H+. Het functioneert als een soort motortje. Wanneer de H+ door de smalle opening van ATP synthase gaat  veroorzaakt  dit  beweging  welke  ATP  productie  indiceert  (beweging  =  energie).  De conformatieverandering die ATP synthase ondergaat door deze bewegingsenergie wordt vervolgens omgezet in chemische bindingsenergie welke weer gebruikt kan worden om ATP te maken. Dit devies heeft de mogelijkheid  tot productie van ongeveer 100 ATP per seconde, waarbij 3H+ per molecuul ATP nodig  is. De mogelijkheden van ATP synthase kunnen  in principe omgedraaid worden, waarbij ATP gebruikt wordt om H+ naar buiten  te pompen, de gangbare  fucntie  is echter bovengenoemd. Welke van de twee opties ATPsynthase gebruikt hangt af van het proton gradiënt van het mebraan. Bij  bacteriën  wordt  het  omgedraaid  bij  O2  tekort,  omdat  het  protongradiënt  ook  nodig  is  om voedingsstoffen naar binnen te halen.  

  

 Naast dat het protonengradiënt gebruikt wordt om ATP te produceren speelt het ook een belangrijke rol bij het  importeren van metabolieten door middel van actief transport. Als voorbeelden zijn hier geladen elementen zoals ADP, pyruvaat en Pi de cel  in en ATP de cel uit. Carrier eiwitten die deze stoffen kunnen binden kunnen dit transport aan het energetisch favoriete transport van H+ de cel in koppelen,  dit  gaat  dan  om  pyruvaat  en  Pi.  ADP wordt  aan  het  transport  van  ATP  gekoppeld  om respectievelijk in en uit de cel te komen. (p. 466 alberts).  De  opbrengst  per  NADH  molecuul  is  ongeveer  2,5  ATP  (behalve  wanneer  tijdens  de  glycolyse geproduceerd dan is het 1,5 ATP). Die van FADH2 is minder namelijk 1,5 ATP per molecuul. Waarom dit zo is zal ik straks op terug komen.  

  In bovenstaand wordt  uitgegaan  van  3 ATP per NADH  en  2  per  FADH2. De  stap die  je  tussen de glycolyse en citroenzuurcyclus ziet welke 2 NADH oplevert is natuurlijk pyruvaat dehydrogenase!!!  Sommige van de ATP geproduceerd wordt door het mitochondrion  zelf gebruikt de  rest wordt als ATP  naar  buiten  gepompt  en  als  ADP weer  naar  binnen.  Dit  gaat  zo  efficiënt  dat  gemiddeld  de concentratie ATP 10x zo hoog is als die van ADP. Indien het ATP transport niet meer mogelijk is, is er 

geen  energie  meer  voor  het  lichaam  en  ga  je  dood,  cyanide  blokkeert  het  transport  over  het binnenmembraan van het mitochondrion en is dus dodelijk.   Oxidatieve  fosforylering  kan  niet  zonder  zuurstof  plaatsvinden,  staat  dus  niet  los  van  elkaar.  De elektronentransportketen  betekent  echter  de  oxidatie  van  NADH  en  FADH2  en  oxidatieve fosforylering betekent het in navolging hierop produceren van ATP.   Ondanks  dat  protonen  gelijkend  zijn  op  andere  positieve  ionen  zoals  NA+  en  K+  zijn  ze  ook  in bepaalde  opzichten  uniek.  Ze  zijn  bij  verre  het  meest  voorkomend,  ze  zijn  heel  erg  mobiel  en belangrijk aanwezig  in water wat overal  in de  cel  te vinden  is en dus als goed  reservoir dient. De overdracht van elektronen  is een redox reactie. Hierbij komen protonen kijken omdat de negatieve lading door opname van een elektron geneutraliseerd kan worden door een proton. Andersom kan dit ook, bij afstaan elektron kan ook H+ afgestaan worden. Omdat water  ideaal  is als acceptor en donor  en  deze  zowel  in  als  buiten  het membraan  is,  is  er  slechts  een  heel  simpel  systeem  om protonen over het celmembraan heen te krijgen.   In chemische reacties is het altijd zo dat als een molecuul geoxideerd wordt (elektron ontvangt) een ander gereduceerd wordt (een elketron afstaat). Hier komt de term redox reactie vandaan. Of deze reacties spontaan plaatsvinden gaat hierbij ook om  thermodynamica, de hoeveelheid vrije energie evrschil (delta G) is hier van invloed op. Hoe groot die delta G is hangt af van de affiniteit van de twee moleculen voor elektronen. Net zoals je zuur/base paren hebt heb je ook redoxparen (zoals NADH – NAD+  +  H+  +  2e‐.  NADH  is  een  sterke  elektrondonor  omdat  de  elektronen  in  een  hoge energieverbinding wordt  vastgehouden. Als  vanzelfsprekend  is  zijn partner NAD+ dus  een  zwakke acceptor  voor  elektronen.  Het  redox  potentiaal  bepaald  hoe  sterk  een  redoxpaar  is  voor  het vasthouden van elektronen binnen het paar. Een laag potentiaal (kan ook negatief zijn) betekend een lage affiniteit, hoog  is hoog. O2 en H2O hebben bijvoorbeeld een hoog potentiaal, NADH/NAD een laag potentiaal. Om deze  reden  zullen elektronen dus ook  spontaan  van NADH naar O2 overgaan (elektronen  transport). Het  verschil  in  redoxpotentiaal  is  een  directe maat  voor de  vrije  energie verandering bij overdracht van één elektron van het ene molecuul naar een ander.  De formule om dit te berekenen is als volgt: verschil redoxpotentiaal (tussen twee paren) = delta E.   DeltaG  =  ‐n(0,023)deltaE. Waarbij  n  gelijk  staat  aan  het  aantal  elektronen  die  getransporteerd worden tussen een paar.   Wel moet  hierbij  in  acht  worden  genomen  dat  zoals  in  hoofdstuk  3  behandeld  de  vrij  energie afhankelijk  is van de concentraties. De standaardredox potentiaal  is dus ook voor 1:1 concentraties maar  wanneer  er  meer  van  één  is  dan  veranderd  deze  zaak.  (veel  NADH  geeft  meer  negatief redoxpotentiaal dan weinig NADH, t.o.v. NAD+ en dus ook een negatievere delta G). Dit is omdat het gunstig is om elektronen af te staan zodat er weer meer NAD+ gevormd wordt. Het paar wordt dus zwakker de overdracht van elektronen groter.   Als je dit berekend zie je dat het voor NADH ‐> O2 = ‐26,2 kcal/mol. Dit is enorm veel en precies waar gebruik van gemaakt wordt  in de elektronentrasnport keten op gecontroleerde wijze. Omdat elke carrier  in de transportketen zijn elektronen  iets beter vasthoudt (groter redoxpotentiaal!!!) dan de voorgaande de energetisch favoriete reactie van 2H= + 2e‐ + ½ O2 ‐> H2O is stapjes uitgevoerd. Dit zorgt ervoor dat ongeveer de helft van alle energie  tijdelijk wortd opgeslagen  in plaats van vrij  te komen als warmte.   Binnen  elk  van  de  drie  onderdelen  van  de  trasnportketen  bewegen  elektronen  zich  voornamelijk tussen  metaalionen  die  aan  de  eiwitten  gebonden  zijn.  Het  bewegen  tussen  de  3  onderdelen gebeurd echter op een andere manier. Daar worden elektronen verplaatst doro moleculen die door 

de bilaag diffunderen en  zo de elektronen meenemen van het ene  complex naar het andere. Een voorbeeld hiervan  is tevens weer bijzonder. Ubiquinone  is een klein hydrofoob molecuul dat  in de lipide bilaag oplost en geen onderdeel is van een eiwit. Het  is belangrijk bij de elektronen transport van de NADH‐dehydrogenase naar de  cytochrome b‐c1. Het  kan eéén of  twee elektronen  tegelijk oppakken en doneren.  

    Alle andere elektron dragers zijn kleine moleculen die gebonden zijn aan eiwitten. Hieronder valt ook het molecuul dat het elektron van NADH naar ubiquinone draagt. De elektronen worden binnen het NADH  dehydrogenase  complex  van  een  flavinegroep  gebonden  aan  het  complex  naar  ijzer‐sulfaatgroepen  met  hoger  redoxpotentiaal  verplaatst.  De  laatste  ijzer‐sulfaatgroep  doneert  het elektron (1 tegelijk) aan ubiquinone.  Ijzer‐sulfaat complexe hebben een relatief laag redoxpotentiaal en daarom minder geschikt om later in de keten gebruikt te worden. Hier worden dan ook  ijzeratomen  in heme groepen gebonden aan cytochrome als drageers gebruikt. Dit gebeurd  in de  twee  laatste complexen  (2 en 3). Omdat  ijzer kleurt  dus  ook  cytochrome  (chroma  =  kleur).  Er  bestaan  verschillende  cytochromen  en  het redoxpotentiaal  verschilt  en  stijgt  verder  op  in  de  keten.  Cytochrome‐c  is  bijvoorbeeld  de  drager tussen complex 2 en 3. In het laatste complex vinden we naast de ijzer atomen in heemgroepen ook koper atomen  terug die op een  zodanige manier aan een eiwit vastzitten dat het  redoxpotentiaal sterk stijgt.  De redenen dat deze dragers van elektronen (behalve ubiquinone) aan eiwitten gebonden zijn: 

1. Eiwitten, of beter de binding aan eiwitten, zorgen dat de dragers in een bepaalde volgorde in de  keten  komen  te  zitten.  De  redoxpotentialen  zijn  op  elkaar  afgestemd  en  stapsgewijs verlies van energie is mogelijk.  

2. De eiwitten positioneren de Fe atomen zodat efficiëntere overdracht mogelijk is.  3. De eiwitten voorkomen dat elektronen een tussenliggende stap over slaan (kanaal maken) 4. Eiwitten zorgen ervoor dat de elektronenstroom gebruikt kan worden voor het pompen van 

H+ naar buiten, welke uiteindelijk voor de ATP synthese nodig is.   Cytochrome oxidase ontvangt elektronen van cytochrome‐c en oxideerd  ze dus. Hierna wordt het afgegeven  aan  zuurstof.  Hierbij  worden  4  elektronen  en  4  protonen  uit  de  waterige  omgeving worden aan zuurstof gebonden om  twee water moleculen  te vormen.  In additie worden hiernaast ook 4 protonen over de membraan naar de tussenruimte gepompt. Dit proton pompen gebeurt door een  comformatieverandering  welke  door  de  elektronen  transport  gedaan  wordt.  Op  de  actieve plaats bevat cytochrome oxidase een complex van een heem  ijzer atoom met daarnaast een strak gebonden  koper  atoom.  Het  is  in  dit  complex  waar  bijna  alle  zuurstof  die  we  inademen  (90%) gebruikt worden  en  het  is  het  laatste  stadium  voordat  de  elektronen  van NADH  (en  FADH2)  aan zuurstof gebonden worden. Een belangrijke functie van cytochrome oxidase is ook om het zuurstof 

stevig vast te houden tot alle 4 de elektronen eraan gebonden zijn. Indien dit niet gebeurt bestaat er een kans op vorming van O2‐ wat een evensbedreigende radicale is.   Het specifieke mechanisme waarmee de drie complexen de protonen over het membraan pompen verschilt  per  complex,  evenals  de  hoeveelheid  protonen  die  per  keer  gepompt  worden.  Bij  het cytochrome b‐c1 complex is het waarschijnlijk dat ubiquinone een rol speelt. Voor complex 1 en 3 is het waarschijnlijk een opeenvolging van comformatieveranderingen die een rol spelen.   Dit alles  is nogmaals zo complex omdat er enorme hoeveelheden vrije energie geproduceerd wordt in de trasnportketen welke alleen maar bruikbaar gemaakt kan worden in kleine stapjes.   In boevenstaande deel zijn we voornamelijk  ingegaan op het gebruik van de elektronen van NADH, maar hoe zit het nu ook alweer met FADH2?   !!!  let  hier  bij  op WANT  LIM  HEEFT  HET OVER  4  COMPLEXEN  TERWIJL  ALBERTS  ER  SLECHTS  3 BEHANDELD, en er eigenlijk 5 zijn als je ATP productie (ATP synthase) als complex meeneemt!!!  FADH2 wordt, anders dan NADH, direct aan complex 2 gebonden  (welke  in alberts niet behandeld wordt). Dit komt omdat FADH2 afkomstig uit de krebcyclus aan succinate dehydrogenase gebonden wordt welke zelf weer onderdeel uitmaakt van het complex. Omdat complex 1 wordt overgeslagen is de uiteindelijke energieopbrengst van FADH2 dus ook 1,5 en niet 2,5 zoals NADH. Na binding aan complex twee worden de elektronen ook aan ubiquinone (CoQ10) doorgegeven om vervolgens vanaf cytochrome  b‐c1  het  verdere  pad  te  volgen.  De  reden  dat  Alberts  complex  2 waarschijnlijk  niet behandeld  is omdat deze geen protonen pompt en uiteindelijk dus niet meehelpt met het gradiënt en daarmee ATP synthese.  

 

NB:  nogmaals  zoals  je  in  bovenstaand  bijschrift  kunt  lezen  in  de  elektronen  transportketen complex 1  t/m 4. Oxidatieve  fosforylering  is echter het proces waarbij ATP geproduceerd wordt, dus  complex  5.  ANT  staat  voor  het  gekoppelde  transport  van  ADP  en  ATP  in  en  uit  de  cel!!! (volgens mij, maar hier ben ik niet 100% zeker van, staat de ademhalingsketen voor complex 1 t/m 5 samen).   Voor  de  oplettende  kijker  heb  je  kunnen  zien  dat  NADH  tijdens  de  glycolyse  geproduceerd  kan worden, echter moet deze naar het mitochondrium getrasnporteerd worden, welke ondoorlaatbaar is voor NADH. Hier zijn twee methoden voor: 

1. Glycerol‐3‐fosfaat  shuttle:  elektronen  worden  van  NADH  naar  FADH2    getransporteerd welke  vervolgens  de  elektronen  transportketen  in  gaat  (let  wel,  hier  komt  het  dus  bij complex 2 binnen en genereert dus 1,5 ATP ipv 2,5 ATP voor mitochondrisch NADH).  

 2. Malaat‐aspartaat shuttle: deze  is voornamelijk actief  in de  lever en het hart. De elektronen 

van  NADH  in  het  cytosol  wordt  over  gebracht  naar  de  mitochondrische  NADH,  om  de transportketen in te gaan (geeft dus 2,5 ATP).  

COLLEGE 12 Net als de glycolyse (en eigenlijk alles  in het  lichaam) wordt ook de krebcyclus gereguleerd. Omdat de krebcyclus een centraal punt  in metabolisme  is wordt deze gereguleerd door de behoeften van verschillende  processen  in  verschillende  weefseltypen.  De  controle  van  de  cyclus  kan  op  twee niveaus beschouwd worden: 1. Allosterische regulatie: hier vinden we drie sleutelenzymen voor regulatie terug: 

a. Citraat synthase b. Isocitraat dehydrogenase c. Alpha‐ketoglutaraat dehydrogenase 

Alle drie de enzymen worden geactiveerd door Ca2+, waarbij de niveaus van Ca2+ verhoogd zijn  bij  bijvoorbeeld  spier  contractie,  dus  als  er meer ATP  nodig  is.  The  enzymen worden eveneens gereguleerd door de niveaus  in ATP en NADH, welke dan natuurlijk de enzymen inhiberen, omdat NADH en ATP een hoge energie status tekenen.  

2. Ademhalingscontrole: de  belangrijkste  controle  van de  krebcyclus  is  via de  ademhaling. Deze wordt geregeld via de activiteit van de transportketen en de mate van oxidatieve fosforylering. Dit gebeurd op zijn beurt weer door een aantal factoren. 

a. krebcyclus  heeft  NAD  en  FAD  nodig,  welke  door  de  Elektronen  transportketen gegenereerd worden. Lagere activiteit van de  transportketen  inhibeerd dus ook de krebcyclus door te weinig substraat.  

b. De ATP die geproduceerd wordt  is ook een  inhiberende  factor voor de krebcyclus. ADP:ATP is dus belangrijk.  

c. Alle andere factoren die de transportketen of Oxid. Fosfo. belemmeren, bijvoorbeeld dus ook zuurstof, inhiberen de functie van TCA.  

17 Ook de elektronentransportketen wordt natuurlijk gereguleerd op twee manieren.  

1. Ontkoppeling: Een belangrijk gevolg wat kan plaats vinden  in deze keten  is de  loskoppeling van  het  protonengradiënt  van  ATP  synthase.  Elke  stof  die  de  doorlaatbaarheid  van  het membraan voor protonen vergroot  (waardoor deze dus niet via ATP  synthase naar binnen hoeven) verminderd de ATP productie.  2,4‐dinitrophenol  is een stof die precies dit doet. Het  is een vetoplossend proton dat vrijuit door het binnenmebraan  kan diffuseren  en protonen met  zich meedraagt. De  energie die 

door de elektronenketen wordt geproduceerd wordt dan ook als warmte vrijgelaten. FCCP is een soortgelijk molecuul met dezelfde functie.  Fysiologisch  gebeurd deze ontkoppeling ook, bruin  vetweefsel,  is hier  een  voorbeeld  van. Overwinterende zoogdieren en baby’s hebben dit bruine vet  (nek en bovenrug). Voor deze ontkoppeling wordt het molecuul thermogenine gebruikt en heeft als functie om het lichaam warm te houden.  

2. Inhibitie:    inhibitoren  binden  aan  componenten  in  de  transportketen  en  blokkeren  de overdracht van elektronen op specifieke plaatsen. Alle elektronen voor de blokkade worden gereduceerd, maar de elektronen na de blokkade blijven geoxideerd. Deze inhibitie leidt tot een minder grote gradiënt en uiteindelijk minder ATP productie.  TMPD (tatramethyl‐p‐phenyldiamine) is bijvoorbeeld een kunstmatige elektrondonor welke elektronen direct op cytochroom‐c transporteerd. Vitamine C  is een belangrijke voedingstof die de functie van TMPD reduceerd en dus de blokkade beperkt.  

 De ATP productie wordt tot slotte gecontroleerd door de toevoer van ADP, welke uiteraard nodig is om ATP te maken. Aangezien de elektronentransportketen en de ATP synthese sterk gekoppeld zijn wordt door remming van de synthese de transportketen ook geremd.   COLLEGE 13 Naast gebruik voor biologische membranen worden vetzuren ook gebruikt voor andere doeleinden, namelijk  als metabole  brandstof  (vetzuuroxidatie)  en  voor  de  vorming  van  triaglycerollen  (TAG) (energieopslag).  De  goede  opslag  van  vetzuren  is  nodig  omdat  hoge  concentraties  van  vetzuren toxisch zijn door hun detergerende werking. Vetzuren kunnen uit de voeding afkomstig zijn maar ook door de cel zelf geproduceerd (vetzuursynthese). Om alle vetzuren nog eens op een rij te hebben is het  handig  om  de  strcuturen  behorende  bij  zelfstduie  0  weer  goed  door  te  kijken  (zie  begin samenvatting).  Herinner  je  de  reden  nog  waarom  TAG  nu  juist  t.o.v.  bijvoorbeeld  glycogeen  een  goede  opslag methode is?!! Het getal meer dan 6 dat daarbij genoemd werd komt voort uit de hoeveelheid water die bij de glycogeen opslag betrokken is, deze is 6x zo hoog bij glycogeen dan vet, dus de opslag kost meer massa en minder relatieve energie.   Acetyl‐CoA  is  zowel  de  bouwstof  voor  vetzuur  synthese  (lipogenese)  als  die  van  vetzuurafbraak (bèta‐oxidatie).  Toch  is  lipogenese  niet  een  simpele  omkering  van  de  bèta‐oxidatie.  Nazoeken waarom!  Vetzuursynthese: vetzuursynthese vindt plaats  in een cyclische reactie waarbij opeenvolgend  twee koolstofatomen aan acetyl‐CoA geplaats worden, tot er uiteindelijk een vetzuurketen geproduceerd wordt. Het vindt plaats in de lever, vetweefsel en melkklieren, en een geringe hoeveelheid in de nier. Het vindt plaats in het celcytosol.  Het meest voorkomend verzadigd vetzuur dat gevormd wordt is palmitaat. Dit is een 16‐C molecuul.  

 

De  constructie  van  dit  vetzuur  begint  met  de  vorming  van  acetyl‐CoA  in  het  mitochondrion  . Vervolgens wordt het het celcytosol  in getransporteerd waar het omgezet wordt  tot malonyl‐CoA. Dan volgt er verder een aantal reacties die gekatalyseerd worden door vetzuur synthase.  Voor  de  synthese  van  vetzuren  is  NADPH  nodig  welke  door  het  PPP  wordt  gevormd  en  ook gedeeltelijk dor de pyruvaat‐malaat cyclus.   BEKIJK DE PLAATJES IN LIM, WANT NIET OP INTERNET TERUG TE VINDEN.!!!  Pyruvaat dehydrogenase katalyseert de reactie van pyruvaat naar Acetyl‐Coa, welke nodig is voor de vetzuur  synthese. Dit gebeurt  in de mitochondriale matrix. Acetyl‐CoA  kan naast uit pyruvaat ook gevormd worden bij de afbraak van ketonlichamen, aminozuren en vetzuren.  Acetyl CoA moet vervolgens het mitochondrion uit getransporteert worden omdat vetzuursyntese in het  cytosol  plaatsvindt.  Het  CoA  gedeelte  kan  niet  vrijelijk  door  het  membraan  en  moet  dus getransporteert.    Dit  gebeurt  eveneens  door  de  pyruvaat/malaat  cyclus  (welke  dus  ook  NADPH produceert). Het gedeelte van deze shuttle die het AceCoA ook daadwerkelijk transporteert heet de citraat shuttle.  Acetyl CoA condenseert met oxaalacetaat waarbij citraat gevormd wordt (zie ook bovenstaand). Het citraat  wordt  door  tricarboxylaat  transporter  over  het  membraan  uit  het  mitochondrion getransporteerd. In het cytosol wordt citraat weer geplitst door citraat lyase waarbij oxaalacetaat en acetyl CoA vrijkomen. De oxaalacetaat wordt in het cytosol weer omgezet naar malate en vervolgens pyruvaat welke wel weer het mitochondrion in kan door de pyruvaat transporter. De omzetting van malate naar pyruvaat (malic enzyme) levert eveneens 1 NADPH op die gebruikt kan worden voor de vetzuur synthese. Omzetting van oxaalacetaat naar malaat kost 1 NADH.  Het gehele proces van het transport van Acetyl‐CoA kost energie, te weten 1 ATP voor omzetting van citraat  in oxaalacetaat en acetylCoA  (citraat  lysase) en 1 NADH voor terug zetten van oxaalacetaat naar malaat.  Normaliter wordt citraat gebruikt om de Krebcyclus  in  te gaan en ATP  te produceren, wanneer de levels  ATP  erg  hoog  zijn  vindt  vetzuursynthese  met  behulp  van  citraat  plaats.  Isocitraat dehydrogenase  is een enzym van krebcyclus die geinhibeerd wordt door hoge energieniveaus. De vervolgende opeenhoping van citraat zorgt voor activatie van tricarboxylaat transporter. Aangezien er voor lipogenese ook ATP nodig is is dit ook een activerende factor, dus citraat en ATP = activatie.  De AceCoA die in het cytosol zit wordt vervolgens omgezet in malonyl CoA. Deze stap is rate‐limiting en onomkeerbaar. De acetyl CoA wordt gecarboxyleerd door acetyl CoA carboxylase waarbij Biotine (vitamine) als cofactor optreedt. Biotine  is gebonden aan de  lysinegroep  in het enzym en doet mee aan  de  reactie.  Hierbij  wordt  eerst  de  biotine  groep  gecarboxyleerd,  dit  resulteert  in  een  vrije carboxylgroep die verder gebonden kan worden aan acetyl‐coA. Biotine  is daarom een drager van een  carboxylgroep  belangrijk  voor  deze  reactie  maar  ook  andere  reacties  zoals  bij  pyruvaat carboxylase.  Vetzuursynthase:  vetzuursynthese  heeft  een  aantal  enzymen  nodig,  die  bij  normale  cellen samengevoegd  zijn  tot  één  enzym  complex:  vetzuursynthase  (FAS).  In  bacteriën  zijn  dit  wel verschillende  enzymcomplexen.  Vetzuur  synthase  bestaat  uit  een  dimeer  met  twee  identieke subunits. Elke unit bestaat weer uit 7 verschillende enzymen, welke elk een andere  reactie van de synthese katalyseert. Elke subunit (dus twee) bevat ook een acyldragend eiwit.De functie van dit deel is het vasthouden van alle  intermediairen van de  synthese gebonden aan de  thiolgroep  (‐SH) van pantotheenzuur  (in het ACP). De groeiende acylketen wordt hierdoor  vastgehouden wanneer het langs  de  actieve  bindingsplaatsen  van  de  vetzuursynthese  beweegt.De  tegenoverliggende  subunit biedt het vetzuur steeds aan de tegenoverliggende unit aan voor verdere synthese.   Het houdt dus de  groeiende  vetzuurketens  vast. Gebonden  aan  de  twee  units  van  de  keten worden malonyl  en acetyl CoA, welke samen condenseren tot een 4‐C molecuul. Hierbij wordt CO2 afgesplitst.  Vanaf  dit  punt  bindt  nog  6 maal  een malonylgroep  waarbij  dus  uiteindelijk  een  16‐C  palmitaat gevormd wordt. AcetylCoA = 2C, malonyl‐CoA = 3C maar... 1 weg aan CO2.   Uiteindelijk wortd van 7 malonylCoA’s + 1 acetyl CoA + 14 NADPH ‐‐ 1 vetzuur palmitaat.  

 

 NEEM GOED NOTA VAN DE FIGUREN IN LIM, NIET OP INTERNET!!!  Zoals altijd  zit het weer net  ingewikkelder dan bovengenoemd en vandaar dus ook nu de vetzuur synthese in stappen! 

1. Additie: acetyl transacylase katalyseert de reactie waarbij de acetyl groep van de CoA aan de thiol  groep  van  de  FAS  gebonden  wordt.  Malonyl  transcyclase  bindt  vervolgens  de malonylgroep aan de andere unit. Hierbij komen dus de  twee CoA groepen van beiden als CoASH vrij.  

2. Condensatie: Bèta‐ketoacyl synthase katalyseert de condensatie van acetyl (2C) en malonyl (3C) waardoor acetoacetyl‐ACP (4C) gevormd wordt. Hierbij wordt 1 CO2 afgesplitst. Bij het omzetten van acetyl‐CoA in malonyl‐coA (voor de daadwerkelijk synthese) is energie gebruikt die is opgeslagen in malonyl‐CoA. Door de condensatie wordt deze energie weer vrijgegeven waardoor verdere verlenging van de keten mogelijk is.  

3. Reductie: bèta‐ketoacyl  reductase  converteert  de  ketogroep naar  een  alcohol, waarbij de reducerende agent NADPH is (wordt dus NADP+) 

4. Dehydratie: er wordt water  afgesplitst door bèta‐hydroxyacyl dehydratase, waardoor een dubbele binding ontstaat.  

5. Reductie:  enoyl  reductase  zorgt  voor  de  tweede  reductie  reactie  waarbij  een  verzadigd vetzuur geproduceerd wordt en tevens de eerste verlengingscylcus afgesloten wordt.  

6. Site‐to‐site  transfer:  de  4‐c  keten  wordt  nu  naar  de  subunit  getransporteerd  waar  in oorsprong de acetyl‐CoA aan gebonden zat, hierdoor komt de plek voor een nieuwe malonyl‐CoA vrij.  

7. Additie: het 4c molecuul  condenseert opnieuw met een malonylCoA en  stap 2‐6 herhalen zich n aantal keer (in het geval van palmitaat nog 6x, 7x in totaal dus).  

8. Thioestarase zorgt er uiteindelijk voor dat palmitaat van het FAS wordt losgelaten.  

NB:  alle  stoffen  komen  uitiendelijk  van  acetyl‐CoA  omdat  malonyl‐CoA  ook  van  acetyl‐CoA afkomstig is.   Voor de nauwkeurige onder ons is de totaal reactie compleet dus: 8 acetyl‐Coa + 14 NADHP + 14H+ + 7 ATP  1 palmitaat + 14 NADP+ + 8 CoA + 7 ADP + 7 Pi + 7CO2 + 7 H2O.   Palmitaat wordt niet zodanig in het lichaam opgeslagen maar triaglycerollen worden gebruikt voor de vetzuur opslag. Palmitaat zal dus hierin omgezet moeten worden.  Triacylglycerollen bestaan uit 1  glycerolgroep en 3  vetzuren  en de  formatie hiervan bestaat uit 3 stappen: 

1. Formatie van glycerol‐3‐fosfaat.  a. 1 manier hiervoor is de fosforylering van glycerol door glycerol kinase.  b. 2e manier  is  reductie  van  een  glycolytisch  intermediair  (dihydroxyaceton  fosfaat) 

door middel van glycerol‐3‐fosfaat dehydrogenase.  2. Activatie van vetzuren: vetzuur acetyl synthetase activeert de vetzuren door ze aan CoA  te 

koppelen. Deze reactie behoeft ATP. (NB: weet je nog dat deze CoA vrijkwam bij condensatie tussen malonyl en acetyl?) 

3. Estervorming van glycerol‐3‐fosfaat: dit gebeurt door acyl transferase in 3 stapjes waarbij de geactiveerde vetzuren aan glycerol‐3‐fosfaat gebonden worden.  

4. Figuur LIM 4.7 

triacylgycerol!!!  Eveneens is het mogelijk om naast palmitaat gebruik te maken van kortere of alngere vetzuurketens, waarbij palmitaat verkort of verlengt wordt. Verlengen kan in zowel het ER als in het mitochondrion gebeuren. Afsplitsing vindt plaats in het ER.   Er bestaan Cis en trans moleculen waarbij trans betekent dat de methylgroepen aan dezelfde kant van de dubbele binding zitten  terwijl bij trans ze  juist tegenovergesteld zitten, dit zijn voorbeelden van stereoisomeren.  

 Verder kunnen vetzuren van elkaar verschillen in het aantal C‐atomen en de locatie en aantal van de dubbele binding(en). Hier worden verwarrend genoeg twee verschillende termen voor gebruikt.  

1. Tellend vanaf de carboxyl groep wordt aangeduidt met delta. Dan zeg  je delta9,12, 18:2 en dat betekent dan dat er  twee dubbele bindingen zijn  tussen 9‐10 en 12‐13 met een  totale lengte van 18 C‐atomen.  

2. Tellend  vanaf  de  methylgroep  (dus  de  niet  functionele  kant  van  het  vetzuur)  wordt aangeduidt met kleine  letter omega. Omega6,9, 18:2  is precies hetzelfde molecuul als bij 1 alleen geteld vanaf de andere kant.  

Bij deze cursus wordt delta als aanduidt methode gebruikt.  

 Zoogdieren bevatten geen enzymen die nodig  zijn voor het  introduceren van een dubbele binding voorbij het 9e C‐atoom. Om deze  reden kunnen  linolzuur en  linoleenzuur niet gemaakt worden en zijn dus ook essentiële vetzuren die via het dieet binnen moeten komen. Deze stoffen zijn nodig voor de  synthese van een groot aantal andere onverzadigde vetzuren, waaronder arachidonzuur welke gemaakt  wordt  door  desaturatie  (onverzadiging)  en  verlenging  van  linolzuur.  Arachidonzuur  is vervolgens weer een belangrijke  stof voor weefselhormonen.   Visolie  is een belangrijke bron voor deze vetzuren.   Afbraak van vetzuren Het belangrijkste product van de afbraak van vetzuren (triacylglycerol)  is natuurlijk weer acetyl‐CoA.  Met name  in de spier en de  lever vindt afbraak van vetten plaats, en sommige weefsel zijn er ook absoluut niet toe in staat zoals rode bloedcellen, hersenweefsel en adrenale medulla. 4 stappen:  

1. Hydrolyse  van  triacylglycerol  door  lipase:  dit  vindt  plaats  in  het  celcytosol  en  levert uiteindelijk 1 glycerol en 3 vetzuren op.   Lipase hydrolyseert de triacylglycerol op C1 en C3 positie waarbij 2 vetzuren en monoacylglycerol wordt gevormd. Vervolgens verwijderd een specifiek  lipase  het  laatste  vetzuur. Glycerol wordt  naar  de  lever  getransporteerd  omdat vetweefsel geen glycerol kinase bevat wat nodig is voor de verdere behandeling. In de lever wordt de glycerol gefosforyleerd om gebruikt te worden om (heel dubbel!) triacylglycerollen te maken of  via dihydroxyaceton  fosfaat  voor de  gluconeogenese  gebruikt  te worden. De vetzuren worden of ook weer gebruikt om triacylglycerol van te maken of worden het bloed in gestuurd waar ze opgenomen kunnen worden voor oxidatie.  

2. Activatie van vetzuren: voordat de vetzuren die  in het bloed vrijkomen geoxideerd kunnen worden moeten ze geactiveert worden door binding van een CoA eraan  (door vetzuur acyl synthetase),  hierdoor  wordt  acyl  CoA  gevomrd.  Dit  gebeurd  in  het  celcytosol.  Aan  het buitenmembraan  (cytosollische kant) van het mitochondrion ben behoeft ATP.  (NB:  zelfde stap als bij triacylglycerol synthese!!!). bij gebruik van ATP worden Ppi (pyrofosfaat) en AMP gevormd maar de  reactie  snel onomkeerbaar gemaakt door de binding van Ppi   aan  twee vrije anorganische fosfaten (pyrofosfatase), waarbij nog een hoge energie verbinding wordt gebruikt. De activatie van vetzuren kost daarom 2 ATP. Door de binding aan CoA van het vetzuur kan deze niet door het membraan naar buiten en wordt dus ‘gevangen’ gehouden.  

3. Transport in mitochondrion: de activatie van vetzuren is in het cytosol maar de beta oxidatie in  het mitochondrion  (matrix).  Acyl  CoA  kan  niet  door  het membraan  en moet  daarom getransporteerd worden. Dit gebeurd door de carnitine shuttle.  

  

              

De  omzetting  van  carnitine  in  acyl  carnitine  en  anderom  gebeurd  door  carnitine  acyl transferases I en II. Het in en uit transporteren gescheidt met behulp van translocase.  

4. Bèta  oxidatie.  Hierbij  vindt  de  eigenlijke  oxidatie  van  acyl  CoA  plaats  welke  (uiteraard!) gebeurd in 4 stappen: 

a. Oxidatie:  er  komt  een  dubbele  binding  tussen  C2  en  C3 waarbij  FADH2  gevormd wordt (elektron transport tot 1,5 ATP!!!).  

b. Hydratatie: er wordt een water toegevoegd tussen de dubbele binding op C2 en C3 (delta2‐enoyl‐CoA hydratase).  

c. Oxidatie door NAD+. De OH  groep  aan C3 wordt  tot  een  ketogroep  (=O)  gevormd waarbij  NADH  (2,5  ATP)  gevormd  wordt.    (NB:  de  bovenstaande  3  reacties  zijn gelijkend  aan  de  3  laatste  reacties  van  de  krebcyclus  waarbij  succinate  tot oxaalacetaat wordt omgezet).  

d. Thioloytische knipping van het molecuul wordt gedaan om acetyl CoA vrij te maken. Dit gebeurdt door thiolase waarbij steeds 2 c atomen worden vrijgemaakt. De cylcus herhaald  zich  dus  totdat  er  alleen  ecetyl  CoA  over  is. Uiteindelijk  komen  er  twee acetyl CoA’s vrij.  

 

  De vrijgekomen Acetyl CoA kan gebruikt worden in de Krebcyclus en de lipogenese maar kan ook de basis vormen voor cholesterol of ketonlichamen:  Cholesterol: Cholesterol  heeft  meerdere  functies  in  het  lichaam  waaronder  essentiëel  component  van  het celmembraan, een precursus van 5 belangrijke steroïde hormonen, en een precursus voor galzuren en vitamine D. Hierdoor heeft het lichaam een zekere toevoer van cholesterol nodig.  

   Cholesterol kan worden opgenomen via het dieet, of gesynthetiseerd worden door het  lichaam. Er zijn reguleringsmechanisme die dieet intake en synthese op elkaar afstemmen, samen met natuurlijk het verbruik ervan. Dit  is essentrieel om de  levels op peil te houden, te veel cholesterol zorgt voor hart en vaatziekten.   Cholesterol synthese: Dit vind plaats in het celcytosol en meestal in de lever.  Het bestaat uit 27 C‐atomen welke afkomstig zijn van acetyl CoA. Synthese is verdeeld in 2 stadia:  

1. Formatie van een isoprene unit a. 2 moleculen vormen 1 molecuul acetoacetylCoA  (4C) door middel van  condensatie 

thiolase b. HMG‐CoA  synthase  katalyseert een  toevoeging van een extra acetyl CoA en vormt 

dus  HMG‐CoA.  HMG‐CoA  is  ook  een  intermediair  voor  de  synthese  van ketonlichamen.  NB:  ketonlichamen  worden  in  het  mitochondrium  gevormd  en cholesterol  in het cytosol. De  lever bevat om deze  reden  twee enzymen van HMG‐CoA  synthase:  een  cytosollische  voor  cholesterol  en  een  mitochondriaal  voor ketonlichamen.  

 c. Een onomkeerbare stap en  rate‐limiting: enzym HGM‐CoA  reductase  reduceert de 

HMG‐CoA naar mevalonaat. Dit  gebeurd  in het  ER  en heeft NADH  als  reducerend agent nodig.  

 d. Mevalonaat wordt omgezet tot  IPP waarbij 3 moleculen ATP nodig zijn. Zie schema 

voor  details.  Er  vinden  eerst  twee  fosforylaties  plaats  en  vervolgens  een carboxylering tot IPP.  

 2. Progressieve  condensatie  van  een  isoprene unit naar  cholesterol dit  stadium hoef  je niet 

volledig  te  kennen,  je moet wel weten  dat  uiteindelijk  ui  een  5c  isoprene  unit  (IPP)  1 cholesterol gesynthetiseerd wordt!!! En dat dit gebeurd door CONDENSATIE.  

 Ketonlichamen: Ketonlichamen  worden  uitsluitend  in  de  lever  gevormd  en  gebeurd  voornamelijk  wanneer  de aanvoer van acetyl‐CoA door de afbraak van vetzuren groter is dan de afvoer. De afvoer (Kreb) wordt natuurlijk  bepaald  door  de  behoefte  aan  energie. Dus  de  ketonlichamen  komen  in  beeld  als wel vetzuren  afgebroken  worden maar  deze  niet  gebruikt  kan  worden,  hersenen!!!!  Ketonlichamen, gevormd  uit  acetyl‐CoA  kunnen  als  andere  energiebron  dienen  en  worden  altijd  in  kleine hoeveelheden  geproduceerd.  Alleen  tijdens  vasten,  enorme  inspanning  en  ongecontroleerde 

diabetes worden  ze  in  grote  hoeveelheden  geproduceerd  (uitzondelijke  situaties  dus).  Een  grote hoeveelheid ketonlichamen zorgt ook voor een daling in bloed pH wat uiteraard niet goed is.   Ketonlichamen zijn wateroplosbaar.  Het  brein  kan  geen  gebruik maken  van  vetzuren  als  bouwstof  aangezien  deze  niet  de  barrière doorkomen.  In  een  doorvoede  staat  gebruikt het brein dan ook uitsluitend  glucose.  In  tijden  van vasten  gebruiken  de  hersenen  echter  keton  lichamen. Dit  voorkomt  dat  teveel  glucose  nodig  is, welke  in  die  tijden  afkomstig  is  van  afbraak  van  spierweefsel.  De  spieren  kunnen  dus  (tijdelijk) gespaard worden door gebruik van ketonlichamen. In staat van vasten is de productie even hoog als het gebruik wat de pH op peil houdt.   Diabetes:  als  deze  niet  goed  gecontroleerd wordt  is  er  een  glucose  tekort.  Dit  leidt  tot massale productie van ketonlichamen, en uitiendelijk ketoacidose, veel te lage bloed pH.   Synthese van ketonlichamen: Ze worden geproduceerd uit acetyl‐CoA welke weer voornamelijk afkomstig  is van de afbraak van vetzuren. Het vindt plaats in de mitochondria van de lever. Ketogenese: 

1. 3 moleculen actyl coA vormen HMG‐coa  (hetzelfde dus als bij cholesterol alleen dan  in het mitochondrium).  

2. HMG‐CoA wordt geknipt tot acetoacetaat. (hetzelfde dus als bij cholesterol alleen dan in het mitochondrium). 

3. Acetoacetaat wordt  gereduceerd  tot  3‐hydroxybutyraat.  Of  dit  gebeurt  hangt  af  van  het voorhanden zijn van NADH.  

4. Acetoacetaat kan ook spontaan omgevormd worden (door carboxylering) naar aceton, maar dit gebeurt slechts weinig (kan aan adem geroken worden).  

Er zijn dus 3 ketonlichamen:  acetoacetaat, 3‐hydroxybutyraat en aceton.   

  

 De synthese van ketonlichamen wordt ook gecontroleerd, dit gebeurd met name door oxaalacetaat. In  periode  van  vasten  wordt  de  oxaalacetaat  van  de  TCA  direct  doorgespeeld  naar  de gluconeogenese. Acetyl CoA  kan hier dus niet meer  aan binden om  citraat  te  vormen nodig  voor transport en wordt gebruikt om ketonlichamen te vormen.   

Naast  het  gebruik  van  ketonlichamen  door  de  hersenen  gebruikt  ook  spier  en  hartweefsel  deze energiebron. Sterker nog, het hart heeft een voorkeur voor ketonlichamen boven glucose. De  lever kan  ketonlichamen  niet  als  energiebron  gebruiken  (EXTRA  HEPATISCH),  omdat  deze  geen  3‐ketoacyl CoA bevat welke noodzakelijk is om ze te kunnen afbreken. Rode bloedcellen aan de andere  kant  kunnen  geen  ketonlichamen  produceren  omdat  ze  geen  mitochondria  hebben. 

 

   

COLLEGE 14 Sommige  aminozuren  kunnen  door  een  organimse  zelf  geproduceerd  worden,  waarbij  de benoigdheid  het  alpha‐ketozuur  nodig  is.  11  van  de  20  aminozuren  kunnen  op  deze  manier geproduceerd worden en heten dus ook niet‐essentiëel. De alpha‐ketozuren worden met behulp van aminotransferase omgezet in het bijbehorende aminozuur. Een voorbeeld hiervan is tyrosine, welke uit fenylalanine geproduceerd kan worden.   Essentiële aminozuren kunnen niet door het  lichaam zelf gemaakt worden en moeten dus via het dieet  opgenomen  worden  of  via  de  bacteriële  activiteit  in  de  darmen.  fenylalanine  is  hier  een voorbeeld van.    Voor  aminozuur  metabolisme  zijn  twee  belangrijke  reacties  nodig:  transaminatie  en  oxidatieve determinatie.  Transaminatie:  aminotransferase  katalyseert  de  reactie waarbij  de  alpha‐aminogroep  (NH3+)  van één  aminozuur  op  het  alpha‐ketozuur  (pyruvaat,  oxaalacetaat  en  meestal  alpha‐ketoglutaraat)  wordt geplaatst. Hierbij ontstaat een nieuw aminozuur en een nieuw alpha‐ketozuur  (in het geval van alpha‐ketogutaraat ontstaat glutamaat). Alle reacties van deze soort zijn omkeerbaar.  Aminotransferases worden terug gevonden in het cytosol en de mitochondria. Ze hebben pyridoxaal fosfaat (PLP) (derivaat van vitamine B6) nodig als cofactor. PLP is covalent gelinkt aan de lysine residu op de actieve site van het enzym en deelt mee in de reactie. De twee belanrgijkste aminotransferases zijn:  aminotransferase  (ALT)  en  aspartaat  aminotransferase  (AST).  Aminotransferases  zijn  zeer belangrijk  in  het  metabolisme.  Ook  bij  aminozuurafbraak  worden  uiteindelijk  alle  aminozuren omgezet in alpha‐ketoglutaraat omdat alleen glutamaat oxidatieve deaminatie kan ondergaan.  

  Oxidatieve deaminatie:  Glutamaat  dydrogenase  verwijdert  de  aminogroep  van  glutamaat  , waardoor  het  koolstof  skelet achter blijft. De ammonia die gevormd wordt gaat de ureum cyclus binnen en het kooslatofskeletten kunnen  allemaal  dienen  als  TCA  of  glycolyse  intermediair. Glutamate  dehydrogenase  is  specifiek voor glutamaat en kan NAD en NADP als cofactor gebruiken.  Het gebeurt in het mitochondrium.  De reactie is reversibel en behoeft dus controle mechanismen. ATP en GTP inhiberen de reactie, GDP en  ADP  activeren  het.  De  reden  dat  dit  zo  is,  is  dat  wanneer  de  energielevels  laag  zijn,  alpha‐ketoglutaraat de Kreb in kan gaan om energie te genereren.  

 Onderstaand komt een figuur waar de rest van de aminozuren aan bod komt, hier hoef je niet alles van te weten, wel een aantal zakn, zie onder figuur:  

  Hiervan moet je weten dat: 

1. 3‐P‐glyceraat serine kan vormen.  2. Pyruvaat omgezet kan worden in alanine 3. Oxaalacetaat reversibel in aspartaat omgezet kan worden, waarbij glutamaat als aminodonor 

fungeert (NB malaat aspartaat shuttle college 10!!!) 

4. Alpha‐ketoglutaraat  omgezet  kan  worden  in  glutamaat  met  behulp  van  glutamaat dehydrogenase en vrije ammonium ionen.  

 Aminozuren  zijn  essentieel  voor  het  lichaam  o.a.  voor  eiwit  synthese,  maar  heeft  niet  de mogelijkheid een overschot op te slaan zoals dat bij vet en glycogeen kan, ook niet  in de vorm van eiwitreserve. Om deze reden wordt een teveel aan aminozuren ook direct gemetaboliseerd. Wel  is het zo dat de reacties tussen eiwitsynthese en aminozuren niet stil staan, een evenwicht, waardoor dus eigenlijk aminozuren wel gebruikt worden en dan direct afgebroken en weer gebruikt, dit heet turnover van eiwitten, in Lim p. 93 staat een tabel van de turnoverweesfels.   Het afbreken van aminozuren  leidt tot een verlies aan stikstof (ureum)  in het  lichaam (weet  je nog de NH3+ ging de ureum in...). Daarom moet een dieet ook aminozuren bevatten om deze stikstof aan te vullen. Als de  inname evenveel  is als het verlies  is het  lichaam  in stikstof balans. een positieve balans is bij teveel inname, geassocieerd met zwanger, groei en herstelperioden. Negatieve stikstof balans wordt geassocieerd met ondervoeding, starvatie, post traumatische staat en tekort van één essentieel aminozuur (alle 20 zijn nodig voor eiwitsynthese).  Ongeveer 1‐2% van de eiwitten in het lichaam ondervinden dagelijkse turnover. Dit verschilt wel per soort eiwit: een hoegere turnover voor regulerende eiwitten, een  lage voor structurele (collageen0 eiwitten en middelmatig voor bijvoorbeeld hemaglobine.  

 

  De  aminozuren  die  teveel  zijn  in  het  lichaam  worden  afgebroken.  Eerst  wordt  de  aminogroep verwijderd, waarbij ammonia (NH3+) gevormd wordt. Omdat ammonia ontzettend giftig is wordt het omgezet  in  ureum,  door  de  ureum  cyclus,  en  uitgescheden  via  de  urine.  Verder  is  er  een achtergelaten koosltof skelet (alpha‐ketozuur). Het grootste deel van aminodegradatie is in de lever.    Het koolstofskelet (alpha‐ketozuur) wat achterblijft na verwijderen van de aminogroep wordt verder gekataboliseerd. Deze ketozuren verschillen erg van elkaar maar uiteindelijk worden hiervan altijd intermediairen  van  het  metabolisme  gevormd:  pyruvaat,  acetyl‐CoA,  acetoacetyl  CoA,  alpha‐ketoglutaraat, succinyl CoA, fumaraat en oxaalacetaat. Of deze intermediairen gebruikt worden om energie te genereren of opgeslagen worden als vet en glycogeen hangt af van de energiestatus van de  cel. De  aminozuren die worden  afgebroken  kunnen op basis  van bovenstaande ook  ingedeeld worden in twee groepen: 

1. Ketogene  aminozuren:  deze  aminozuren  worden  tot  acetyl‐CoA  of  acetoacetyl‐CoA afgebroken en zijn dus in staat om ketonlichamen te vormen.  

2. Glucogene aminozuren: deze aminozuren kunnen worden afgebroken tot pyruvaat of andere intermediairen  van  de  Tca  cylcus  en  kunnen  dus  via  oxaalacetaat  de  gluconeogenese ingestuurd worden om glucose te vormen.  

Uiteindelijk kunnen de aminozuren dus energie maken, glucose maken (gluconeogenese), vetzuur maken of ketonlichamen.   Verwijderen van de aminogroep: 

1. Transdeaminatie:  deze  route  is  hetzelfde  als  boven  beschreven,  een  transaminatie  in  het cystol en een oxidatieve deaminatie  in het mitochondrium.  (alpha‐ketoglutaraat accepteert een aminogroep van donor aminozuren, waarbij glutamaat   gevormd wordt. De glutamaat gaat  vervolgens  het  mitochondrium  in  waar  het  oxidatief  gedamineerd  wordt  door glutamaat dehydrogenase   om alpha‐ketoglutaraat en ammonium  ionen te vormen (NH4+) in het water ammonia.  

Intermezzo: ammonium = NH4+; ammoniak= NH3+ + H+; ammonia (ammonium in water) =  NH4+ + OH‐ 

2. Transaminatie: eerst wordt de aminogroep naar een alpha‐ketoglutaraat getransporteert. Hierbij wordt gultamaat gevormd. Vervolgens wordt de aminogroep  van  glutamaat  op  oxaalacetaat  geplaatst, waarbij  aspartaat gevormd  wordt.  Aspartaat  kan  dan  de  ureumcyclus  in  waar  het condenseert met citrulline. Deze twee aminogroepen vormen dan samen met CO2 ureum.   

 Bij afbraak van de spieren worden de aminogroepen op alanine geplaatst, via een aminotrasnferase reactie. Hierbij wordt de aminogroep via pyruvaat naar alanine gemaakt.  

  De alanine  zorgt voor een veilig  transportmiddel naar de  lever  (vrije NH4+  is giftig!!!) waarbij per trasnport 3 koolstof atomen (zie Alanine) getransporteerd wordt om aan de gluconeogenese deel te nemen. Het doel van deze cyclus is om de koolstof atomen van aminozuren uiteindelijk in glucose om te zetten; stikstof te elimineren als ureum en glucose terug te laten keren naar de perifere weefsels. Een deel van de gevormde alpha‐ketozuren worden werden  in de  spieren afgenroken en dus niet naar de lever vervoerd. In de lever wordt dus alanine met behulp van het lpha‐ketoglutaraat omgezet in pyruvaat en glutamaat.   

 

Een andere manier van  transport van het koolstofskelet  is via glutamine, waarbij glutamaat wordt omgezet in glutamine (toevoeging NH4+), via het bloed naar de lever gaat waar het door afsplitsing van  NH4+  weer  tot  glutamaat  gevormd  wordt.  De  NH4+  die  nodig  is  voor  deze  processen  zijn afkomstig van glutamaat dehydrogenase.  

  Formatie van ureum door de ornithine cylcus;: ureum  wordt  dus  in  de  lever  gevormd  uit  twee  stikstofatomen,  één  afkomstig  van  de  vrije stikstofgroep die door transdeaminatie gevormd wordt, één afkomstig van glutamaat (via aspartaat). Het  gebeurd  in  de  lever  hepatocyten.  De  ureumcyclus  begint  in  de mitochondria  (eerste  twee reacties) en de laatste 3 in het cytosol (5 reacties dus).   

 

  

  

Aangezien  de  gebruikte  aspartaat  in  de  ureumcyclus  ook  afkomstig  is  van  glutamaat  en  de  vrij NH4+ ook afkostig is van glutamaat wordt ureum uit beide stikstofatomen van glutamaat gevormd.   Dus: stikstof 1 van glutamaat + NH4+ naar glutamine  glutamaat + NH4+ Stikstof 2: glutamaat + oxaalacetaat  aspartaat + alpha‐ketoglutarate (aspartaat‐malaat shuttle)  COLLEGE 15 Nu  hebben we  alle  stofwisselingspaden  bekeken.  Het  is  essentieel  om  alles  te  begrijpen  om  de kruispunten en intermediairen te begrijpen.  Ook de regulatie van metabolisme is essentieel, omdat de  intermediairen meerdere paden op  kunnen, welke niet  slechts door het  recht  van de  sterkste bepaald  worden.  Belangrijke  kruispunt  intermediairen  zijn:  G‐6‐P;  pyruvaat  en  acetyl‐CoA.  (zie hiervoor ook je metabole kaart)  Glucose  Glucose‐6‐fosfaat  glycolyse; glycogeen; PPP Fosfoenolpyruvaat; lactaat  Pyruvaat  lactaat; oxaalacetaat (gluconeogenese); acetyl‐coA Vetzuurafbraak; glycolyse, aminozuurafbraak  Acetyl‐coA  ketonlichamen; krebcyclus; citraat (vetzuursynthese); cholesterol  

  Zoals  je uit bovenstaand schema kunt zien bestaat er geen omzetting van vet  in koolhydraat. Klopt dit? 

1. Ja. De vetzuren die vrijkomen uit Triacylglycerollen kunnen inderdaad niet omgezet worden in koolhydraten.  

a. Acteyl coA kan niet  in pyruvaat omgezet worden door te  lage CO2 spanning  in de cel 

b. Acetyl  coA  die  de  krebcyclus  ingaat  en  omgezet wordt  in  oxaalacetaat  kan  niet worden gebruikt voor gluconeogenese omdat de netto productie van oxaalacetaat niet tot stand komt (alleen omzetting).  

2. Nee. Het glyceroldeel dat vrijkomt bij afbraak van triacylglycerollen kan wel degelijk gebruikt worden  voor  de  productie  van  koolhydraten. Glycerol wordt  in  dit  geval  geactiveerd met behulp van ATP waardoor glycerol‐3‐P gevormd wordt. De glycerol fosfaat shuttle kan deze G‐3‐P omzetten in dihydroxy aceton fosfaat (stap in de gluconeogenese college 11.  

 De metabole profielen verschillen van per weefseltype.  

1. Hersenen (neuronale cellen): energie voorziening door glucose, geen glycogeenvoorraad. Bij vasten ketonlichamen.  

2. Spier  (myocyten); Meeste preferentie voor energie via vetzuren. Bij snelle energiebehoefte dient glycogeen als bron, pyruvaat wordt dan lactaat.  

3. Vetweefsel  (adipocyten):  de  opslagplaats  voor  energie!  bevat  grote  hoeveelheden  TAG. Vetzuren afgebroken tot vetzuren en glycerol.  

4. Lever  (hepatocyten):  de  energieleverancier  voor  andere weefsels!  produceert  glucose  uit eigen glycogeen of via gluconeogenese en ketogenese. De  laatste twee kunnen uitsluitend in de lever plaatsvinden (bij langdurig vasten gluceneogenese evt ook door niercortex). ook heeft  de  lever  mogelijkheid  tot  lipogenese,  welke  dan  naar  vetweefsel  getransporteerd wordt.  

 Lactaat kan bij niet‐herkauwers via de coricylcus kan dienen voor de gluconeogenese (in de lever!). Glycerol komt ook in de lever als substraat voor gluconeogenese.  Glucogene  aminozuren  kunnen  door  middel  van  overdraging  van  de  aminogroep  op  alpha‐ketoglutaraat omgezet worden in glutamaat en pyruvaat, waaruit weer gluconeogenese gedaan kan worden.   Dus  3  substraten  van  gluconeogenese  bij  niet‐herkauwers:  lactaat,  glucogene  aminozuren  en glycerol.   Bij  herkauwers  kunnen  bovengenoemde  3  stoffen  ook  als  substraat  dienen  +  proprionaat.  Alle voedingsstoffen  worden  door  pensbacteriën  afgebroken  tot  acetaat,  butyraat  en  proprionaat waarvan alleen proprionaat geschikt  is voor de gluconeogenese. Proprionaat wordt via propionyl‐CoA  in  succinyl‐CoA  omgezet  (intermediair  kreb).  Van  de  andere  twee worden  ketonlichamen  en vetzuren gemaakt.   Het vervoer van vetzuren gebeurt met behulp van lipoproteïnen.   Glucose  is nodig voor de opslag van vetzuren omdat de vezturen aan glycerol verbonden moeten worden.   

Bij de integratie van metabolisme spelen hormonen een belangrijke rol. Ze binden aan receptoren op het  celmembraan  of  diffuseren  direct  de  cel  in waar  een  receptor  bevinft.  De  drie  belangrijkste hormonen die een rol spelen bij metabolisme zijn: glucogon, adrenaline en insuline:  

  oorsprong  trigger  effect  Doelwit 

Insuline  Pancreas  (alvleesklier) (beta cellen) 

Hoge glucose levels  in bloed 

Anabool: stimuleert  de opslag van branstof en  stimuleert eiwitsynthese 

Glycogeen  in lever en spier TAG in vetcel Eiwitsynthese  in lever en spier 

Glucagon  Pancreas (alpha cellen)  Lage glucose levels  in bloed 

Katabool: stimuleert  afgifte brandstof  aan bloed 

Glycogeen  in lever Gluconeogenese in lever Vetzuurafbraak in vetcel 

adrenaline  Bijniermerg/zenuweinden stress  Katabool;: stimuleert energievoorziening aan spier 

Afbraak glycogeen  in spiercel Afgiste  vetzuren door vetcel.  

 Laatste vraag van zelfstudie:  

- Synthese kost meer dan afbraak oplevert: glycogeenopslag - Metabolisme vereist initiële investering: eerste stappen glycolyse - Synthese langs andere weg daqn afbraak: gluconeogenese - Synthese en afbraak in ander organel: ketonlichamen - Overdracht van de energie in een binding naar de reactie ADP  ATP: elektronentransport.  

 Vergeet niet de werkcolleges en voorbeeldtentamenvragen als ondersteuning  bij deze samenvatting te gebruiken!!!