hoofdstuk 06 - audesirk
TRANSCRIPT
Energy Flow in the Life of a Cell
Hoofdstuk 06
2010/2011
ENERGIEDeel 1
2
Energiestromen
energie
energie
energie
3
Energiestromen
• Leven is gebaseerd op chemische reacties
– Het transformeren van energie van de ene vorm in de andere vorm
Organische stoffenATP & organische stoffen
organische stoffen ATP & organische stoffen
zon
zonne-energieATP & organische stoffen 4
Metabolisme
• Chemische reacties van het leven
– Vormen van bindingen tussen moleculen• condensatiereactie
• synthese
• anabole reacties
– Breken van bindingen tussen moleculen• hydrolyse
• vertering
• katabole reacties
5
Voorbeelden
• condensatie (synthese)
• hydrolyse (vertering)
enzym
enzym
6
Chemische reacties & energie
• Sommige chemische reacties geven energie
– exergoon
– verteren van polymeren
– hydrolyse = katabolisme
• Sommige chemische reacties kosten energie
– endergoon
– bouwen van polymeren
– condensatie = anabolisme
7
Endergoon vs. exergoon
exergoon endergoon- energie komt vrij- vertering
- kost energie- synthese
8
Energie & leven
• Organismen hebben energie nodig om te leven– waar komt deze energie vandaan?
• koppelen van exergone reacties (energie komt vrij) met
endergone reacties (energie nodig)
+ + energie
+ energie+
vertering
synthese
9
ATP
ATPDeel 2
10
ATP
• Adenosine TriFosfaat– aangepaste nucleotide
• nucleotide =adenine + ribose + Pi AMP
• AMP + Pi ADP
• ADP + Pi ATP
– toevoegen van fosfaten is endergoon
11
Hoe slaat ATP energie op?
• Elke volgende negatieve PO4 is moeilijker toe te voegen– veel energie opgeslagen in elke binding
• de meeste energie zit in de 3e Pi
• Binding van negatieve Pi groepen zijn onstabiel– Pi groepen laten makkelijk los & laten energie vrij
12
P
O–
O–
O
–O P
O–
O–
O
–O P
O–
O–
O
–OP
O–
O–
O
–O P
O–
O–
O
–OP
O–
O–
O
–O P
O–
O–
O
–O P
O–
O–
O
–O
ADPATPAMP
How draagt ATP energie over?
• ATP ADP– energie komt vrij
• ∆G = -7.3 kcal/mol
• Brandstof voor andere reacties
13
P
O–
O–
O
–O P
O–
O–
O
–O P
O–
O–
O
–O 7.3kcal/mol
+P
O–
O–
O
–O
ADPATP
ATP / ADP cyclus
• ATP kan niet opgeslagen worden
– goede energie donor, maar niet geschikt voor opslag• te reactief
• alleen korte termijn opslag
• koolhydraten en vetten voor lange termijn opslag
14
ENZYMENDeel 3
15
Wat stuurt reacties?
• Als reacties “downhill” verlopen, waaromgebeuren ze dan niet spontaan?
– covalente bindingen zijn stabiele bindingen
zetmeel
16
Activeringsenergie
• Het afbreken van grote moleculen vereist het toevoegen van energie
– activeringsenergie
– grote moleculen zijn stabiel
– moeten energie absorberen om bindingen te verbreken
energiecellulose CO2 + H2O + warmte
17
Teveel activeringsenergie
• Activeringsenergie– hoeveelheid energie die nodig is om een atoombinding
te destabiliseren
– duwt de reactie over de “energieheuvel”
glucose
18
Verminderen van activeringsenergie
• Katalysator
– vermindert de activeringsenergie
reactant
product
zonder katalysator
met katalysator
NIEUWE activeringsenergie
19
Katalysatoren
• Wat moet een cel doen om de activeringsenergiete verlagen?
– enzymen
G
20
Enzymen
• Biologische katalysator – eiwitten
– maken chemische reacties mogelijk• verhogen reactiesnelheid zonder verbruikt te worden
• verlagen activeringsenergie
– noodzakelijk voor de meester biologische reacties
– zeer specifiek• duizenden verschillende enzymen in de cel
21
Terminologie
substraat• reactant die aan het enzym bindt
• enzym-substraat complex: tijdelijke verbinding
product• resultaat van de reactie
actieve zijde• hier bindt het substraat aan het enzym
substraat
enzym
productactieve zijde
22
Eigenschappen van enzymen
• Specifiek– elk enzym heeft een specifiek substraat
• Niet verbruikt in de reactie– een enzymmolecuul kan duizenden reacties per seconde
katalyseren
• Onder invloed van omstandigheden in de cel– factoren die de structuur van een eiwit beïnvloeden
• temperatuur, pH, saliniteit
23
Naamgeving
• Enzymen vernoemd naar de reactie die ze katalyseren
– sucrase breekt sucrose af
– proteasen breken eiwitten af
– lipasen breken vetten af
– DNA polymerase bouwt DNA
24
Sleutel en slot model
• Gesimplificeerd model van enzymwerking– substraat past in de 3-D structuur van de actieve zijde
van een enzym
– “sleutel past in het slot”
25
Hoe werkt een enzym?
• Verschillende mechanismen verlagen de activeringsenergie en versnellen de reactie
– synthese• actieve zijde positioneert substraten in de juiste positie voor een
reactie– enzym brengt substraten dichter bij elkaar
– vertering• actieve zijde bindt substraten en oefent druk uit op de
bindingen die verbroken moeten worden
26
Reguleren enzymwerking
• Enzymconcentratie
• Substraatconcentratie
• Temperatuur
• pH
• Saliniteit
• Activator
• Inhibitor
katalase27
Enzymconcentratie
enzymconcentratie
reac
tie
sne
lhe
id
28
Reguleren enzymwerking
• Enzymconcentratie– enzym = reactiesnelheid
• meer enzym = meer interactie met substraat
– reactiesnelheid neemt uiteindelijk niet meer toe• substraat is de limiterende factor
• niet alle enzymmoleculen vinden een substraat
enzymconcentratie
reac
tie
sne
lhe
id
29
Substraatconcentratie
substraatconcentratie
reac
tie
sne
lhe
id
30
Reguleren enzymwerking
• Substraatconcentratie– substraat = reactiesnelheid
• meer substraat = meer interactie met enzym
– reactiesnelheid neemt uiteindelijk niet meer toe• alle enzymen zijn gebonden aan substraat
• maximale reactiesnelheid
31substraatconcentratie
reac
tie
sne
lhe
id
37°
Temperatuur
temperatuur
rea
cti
esn
elh
eid
32
Reguleren enzymwerking
• Temperatuur– Optimum T°
• grootste aantal botsingen tussen enzym en substraat
• menselijke enzymen = 35°- 40°C – lichaamstemperatuur = 37°C
– Warmte: stijging boven optimum T°• meer energie leidt op moleculair niveau tot verstoren van
bindingen van enzymen en tussen enzymen en substraat
• denaturatie = verlies 3D vorm (tertiaire structuur)
– Kou: daling onder optimum T°• moleculen bewegen langzamer
• minder botsingen tussen enzym en substraat
33
Enzymen en temperatuur
• Verschillende enzymen functioneren in verschillendeorganismen bij verschillende temperaturen
37°Ctemperatuur
reacti
esn
ele
id
70°C
enzym mensenzym bacterie
warmwater bron
34
Ectotherm
35
7
pH
pH
reac
tie
sne
lhe
id
20 1 3 4 5 6 8 9 10
pepsine trypsine
11 12 13 14
pepsine
trypsine
36
Reguleren enzymwerking
• pH– veranderingen in pH
• toevoegen of verwijderen van H+
• verstoort bindingen, verstoort 3D vorm– verstoort aantrekking tussen geladen aminozuren
– beïnvloedt 2° & 3° structuur
– denaturatie van het eiwit
– optimale pH?• voor de meeste enzymen van de mens = pH 6-8
– afhankelijk van lokale omstandigheden
– pepsine (maag) = pH 2-3
– trypsine (dunne darm) = pH 8
720 1 3 4 5 6 8 9 10 1137
Saliniteit
zoutconcentratie
reac
tie
sne
lhe
id
38
Reguleren enzymwerking
• Zoutconcentratie
– veranderingen in saliniteit• toevoegen of verwijderen van kationen (+) & anionen (–)
• verstoort bindingen, verstoort 3D vorm– verstoort aantrekking tussen geladen aminozuren
– beïnvloedt 2° & 3° structuur
– denaturatie van het eiwit
– enzymen zijn niet tolerant voor extreme saliniteit• Dode Zee heet niet voor niets zo!
39
Verbindingen die enzymen helpen
• Activator– cofactor
• niet-eiwit, kleine inorganische verbindingen/ionen– Mg, K, Ca, Zn, Fe, Cu
– gebonden in het enzym
– coenzym• niet-eiwit, organische verbinding
– bind tijdelijk of permanent in de buurt van de actieve zijde
• veel vitaminen– NAD (niacin; B3)
– FAD (riboflavin; B2)
– Coenzym A Mg inchlorofyl
Fe inhemoglobine
40
Verbindingen die enzymen reguleren
• Inhibitor
– moleculen die de enzymactiviteit reduceren• competitieve inhibitie
• niet-competitieve inhibitie
• irreversibele inhibitie
• feedback inhibitie (negatieve terugkoppeling)
41
Competitieve inhibitie
• Inhibitor & substraat “vechten” voor actieve zijde– penicilline
• blokkeert enzym van een bacterie om celwanden te bouwen
– disulfiram (Antabus)• behandelt chronisch alcoholisme
• blokkeert enzym wat alcohol afbreekt
• ernstige kater & overgeven5-10 minuten na drinken
• Oplossing: – verhogen van substraat concentratie
• bij hoge substraatconcentratie wint hetsubstraat de competitie voor de actievezijde van het enzym
42
Niet-competitieve inhibitie
• Inhibitor bind aan een andere zijde dan de actieve zijde
– allosterische inhibitor bindt aan allosterische zijde
– veroorzaakt vormverandering enzym• actieve zijde functioneert niet meer
– enzym inactief
– sommige anti-kanker medicijnen
• remmen enzymen die betrokken zijn bij DNA synthese
• DNA productie stopt
• deling tumorcellen stopt
– cyanide
• remt Cytochroom C, een enzym watbetrokken is bij de dissimilatie
• ATP productie stopt
43
Irreversibele inhibitie
• Inhibitor permanent gebonden aan enzym
– competitie• permanent gebonden aan actieve zijde
– allosterisch• permanent gebonden allosterische zijde
• permanente verandering van de vorm van het enzym
• zenuwgas, sarin, veel insecticiden (malathion, parathion…)– acetylcholinesterase inhibitoren
» geen afbraak van de neurotransmitter acetylcholine
44
Metabole pathway
A B C D E F G
45
enzym
1
enzym
2
enzym
3
enzym
4
enzym
5
enzym
6
• Chemische reacties wordenuitgevoerd als pathways
• verdeling van een chemischereactie in kleine stappen gevolg van evolutie
controle = regulatie
A B C D E F G
enzym
Feedback inhibitie
• Regulatie & coördinatie van de productie
– product wordt gebruikt in de volgende stap van de pathway
– eindproduct is een inhibitor van een eerdere stap• allosterische inhibitie van een eerder enzym
• feedback inhibitie
– geen onnodige accumulatie van een product
A B C D E F G
enzym
1
enzym
2
enzym
3
enzym
4
enzym
5
enzym
6X
46allosterische inhibitie van enzym 1
Feedback inhibitie
• Voorbeeld– synthese van het
aminozuur isoleucine uithet aminozuur threonine
– isoleucine wordt de allosterische inhibitor van de eerste stap in de pathway• als de concentratie van
isoleucine stijgt botst het enzym vaker met isoleucinedan met threonine
threonine
isoleucine47
Einde