BIO-ENERGETICA
1. De energetische logica van het leven
1.1 ENERGIEPRODUCTIE EN -CONSUMPTIE IN HET METABOLISME
Cel heeft energie nodig voor:
• Opslaan en tot expressie brengen van informatie
• Uitvoeren van biosynthetische reacties
• Bewegen van een gehele cel en/of zijn organellen
• Onderhouden van het onevenwicht met de buitenwereld
1.1.1 Levende organismen zijn nooit in evenwicht met hun omgeving
1. Verschillende concentraties van ionen en moleculen binnen en buiten de cel
® De cel moet actief bepaalde stoffen naar binnen/buiten pompen
2. Dynamische steady state: moleculen worden continue gesynthetiseerd en afgebroken
Þ Energie = nodig
1.1.2 Levende organismen zijn open systemen die energie en materie uit hun omgeving
tranfsformeren
Systeem: alle reagentia en reactieproducten aanwezig
• Geïsoleerd: geen energie en geen materie uitwisselen met omgeving
• Gesloten: wel energie maar geen materie uitwisselen met omgeving
• Open: zowel energie als materie uitwisselen met omgeving
= een levend organisme
o Chemische brandstoffen uit omgeving en extraheren energie door oxidatie
o Absorptie van energie uit zonlicht
Cellen: zeer effectieve omzetters van energie; wanorde stijgt, potentiële energie daalt
a) Extraheren energie uit omgeving
b) Converteren van ergie in bruikbare vormen voor het verrichten van arbeid
c) Deel energie afgeven als warmte
d) Eindproducten vrijstellen, minder georganiseerd dan de startproducten
= stijging in entropie
e) Vorming van complexe macromoleculen = gestegen orde
1.1.3 Fotosynthese en respiratie
Fotosynthese: capteren en gebruiken van lichtenergie om elektronen door te geven van
water naar CO2 met vorming van energierijke producten (zetmeel, glucose…)
Respiratie: oxideren van energierijke fotosyntheseproducten waarbij elektektronen
doorgegeven woorden aan O2 voor het vormen van CO2 en andere producten
1.1.4 De flow van elektronen voorziet in de energie van organismen
Opname van een elektron en een proton: A + e- + H+ ® AH
= dehydrogeneringsreacties oxidaties / hydrogeneringsreacties reducties
Reductie: # CH-bindingen stijgt; oxidatie: # CH-bindingen daalt
Stapsgewijze oxidatie
• Gebruik van enzymkatalysatoren
• Lange reeks van reacties (zelden rechtstreekse toevoeging O2)
• Extraheren van nuttige hoeveelheden energie
1
, Metabolisme en metabole regeling
1.1.5 Energetische koppeling verbindt reacties met elkaar
Hoe kan energie van voedselmoleculen of licht worden gekoppeld aan energie behoevende reacties
= Centrale thema in de bio-energetica
Koppeling van chemische reacties: exergone reactie drijft een endergone reactie aan
1.1.6 Energie wordt tijdelijk opgeslagen in geactiveerde carriers (ATP, NADH)
Geactiveerde carrier: energieopslag onder de vorm van chemische bindingsenergie
• Diffunderen snel doorheen de cel
• Stockage als:
o Makkelijk transfereerbare groep
o Hoge-energie elektronen
• Duale rol als bron van energie en van chemische groepen voor biosynthese reacties
• Opgeslagen potentiële energie kan gebruikt worden om chemische arbeid te verrichten
• Belangrijkste: ATP en NADH/NADPH
Vorming van een carrier gekoppeld aan een exergone reactie
® Groot deel van de vrije energie vrijgesteld door oxidatie wordt gecapteerd in een chemisch
bruikbare vorm; gekoppelde reactie
1.1.7 Enzymen bevorderen ketens van reacties
Reagens ® product: energiebarrière; activeringsbarrière
Transitietoestand
• Hogere vrije energie dan zowel reagens en product
• Tussenin het breken van oude bindingen en het vormen van nieuwe bindingen
Enzymen
• = Biokatalysten die de snelheid van een reactie verhogen zonder zelf verbruikt te worden
® Reacties kunnen verlopen met een meetbare snelheid
• Verlagen de energiebarrière
• Gebruik maken van bindingseffecten; nabijheids- en oriëntatie-effecten
o Reagentia zelf ondergaan verandering in een moleculaire vorm die meer neigt naar
de transitietoestand
o Sterk verhoogd aantal moleculen met voldoende energie om te reageren
• Actieve site: substraatbindingsplaats via stereospecifieke manier
• Katalyse van 1 specifieke reactie van 1 specifiek molecule
® veelvoud, specificiteit en regelbaarheid: specifieke energiebarrières doen dalen
• Schapen van orde
• Pathways: opeenvolging verschillende reacties gekatalyseerd door verschillende enzymen
o Katabool: degraderen van voedingsstoffen om energie te extraheren
o Anabool: omzetting kleine bouwstenen tot progressief grote/complexe moleculen
o ATP als bruikbare vorm van energie
1.1.8 Metabolisme wordt geregeld om balans en zuinigheid te bevorderen
Synthese van moleculen: op de juiste concentraties vereist door de cel
® Sleutelenzymen: porductie in hoeveelheden die overeenstemmen met de noden van de cel
Þ Dynamische steady state behouden door zelfregelende en zelfaanpassende eigenschappen
ondanks fluctuaties in het uitwendige milieu
2
, Metabolisme en metabole regeling
2. Thermodynamische basisprincipes der bio-energetica
2.1 WAAROM THERMODYNAMICA BESTUDEREN
Logica achter het verschijnsel ‘leven’ begrijpen
Bij een gedrukte chemische vergelijking is belangrijk de energieverandering te kennen die optreed
2.2 BIOLOGISCHE ENERGIEOMZETTINGEN GEHOORZAMEN DE WETTEN DER
THERMODYNAMICA
2.2.1 Basisbegrippen en terminologie
Chemische reacties in oplossing: systeem als alle reagentia en producten aanwezig zijn
Systeem + omgeving = het universum
Levend organisme = open systeem
2.2.2 Thermodynamische situering van het leven
Cellen: creëren + handhaven orde in een universum van steeds toenemende wanorde
® Aanhoudende stroom van reacties nodig: biosynthese (atomen, energie en enzymen nodig)
2.2.3 Biologische orde en de tweede wet van de thermodynamica
Tweede wet van de thermodynamica (3x anders geformuleerd)
• De wanorde van het universum (of van elk geïsoleerd systeem daarbinnen) kan enkel stijgen
• Systemen zullen spontaan veranderen naar die schikkingen die het meest waarschijnlijk zijn
® meest waarschijnlijk = meest wanordelijk
• Systemen zullen spontaan evolueren naar die schikkingen met de grootste entropie
Hoeveelheid wanorde = entropie
Levende cellen lijken de wet te overtreden MAAR een levende cel is geen geïsoleerd systeem
• Energie wordt opgenomen om orde te scheppen binnen de cel
• Warmte (= energie in de meest wanordelijke vorm) komt vrij in de omgeving: wanorde
Þ Totale entropie stijgt; wanorde neemt toe
2.2.4 Biologische energieomzetting en de eerste wet van de thermodynamica
Energie kan omgezet worden van de ene vorm naar de andere maar kan niet geschapen/vernietigd
worden
® met energieproductie wordt energieomzetting bedoeld
2.2.5 Vrije energie – een hypothetisch begrip maar zeer nuttig hulpmiddel
Tweede wet niet erg nuttig in biologische context, elk levend wezen = open systeem
Zowel energie- als entropieveranderingen in reacties
® Beiden erg belangrijk voor de richtingbepaling van een thermodynamisch gunstig proces
Gibbs vrije energie
Toestandfunctie met zowel energie als entropie
® waarde van de toestand zelf kan men niet meten, het verschil tussen 2 toestanden wel
Enthalpieterm H: energieverandering bij constante druk
Entropieterm S: graad van wanordevorming
G = H – TS met T de absolute temperatuur
Vrije energie = energie vrij beschikbaar voor het verrichten van nuttige arbeid
Verandering in vrije energie DG = DH – TDS
® Spontane reactie als veel warmte vrijkomt (DH < 0) en meer wanorde ontstaat (DS > 0)
Þ Samenspel van DH en TDS
3
, Metabolisme en metabole regeling
Vrije energie en arbeid
Wanorde stijgt wanneer bruikbare energie verloren gaat aan warmte (DG < 0)
Vrije energie in moleculen: vibraties, rotaties en translaties + bindingsenergie
® chemische of mechaische arbeid verrichten
Samenspel van enthalpie en entropie
Wanorde in de cel d.m.v. reacties
1. Veranderingen in bindingsenergie; warmte vrijgesteld
2. Afname van orde in reagerende moleculen; lange keten afbreken of interactie
verbreken die bindingsrotatie hinderde
Spontane reactie: netto stijging van de wanorde = daling in vrije energie
® rekening houden met zowel enthalpie als entropie
Energiediagram: energetisch verloop van een reactie (!! Activeringsenergie)
• X-as: verloop van de reactie in de tijd
• Y-as: verandering in vrije energie
Verwarringen
1. Spontaniteit van een reactie heeft niets te maken met haar snelheid
2. Entropie in een open systeem kan dalen
De DG° staat in rechtstreeks verband met de evewichtsconstante van een reactie
["]
Logaritmisch verband tussen DG en B/A : ∆𝐺 = ∆𝐺° + 0,616 ln [$] op 37°C
® als B/A ¯ dan DG ¯
Evenwicht: DG = 0; enzym verandert niets aan de ligging van het uiteindelijke evenwicht
Verlaging activeringsenergie: evenveel voor terugreactie; evenwicht en DG° onveranderd
DG’s zijn additief
Uiteindelijke DG van een pathway is de som van de DG’s van de stappen van de pathway
® energetisch ongunstige reactie wordt gekoppeld aan energetisch gunstige reactie
Belang van gekoppelde reacties voor levende organismen
Vaak koppeling van energetisch ongunstige reactie aan gunstige hydrolyse reactie van ATP
® cruciaal belang in intermediair metabolisme, oxidatieve fosforylatie, membraantransport
Hoge-energie bindingen
Hydrolyse reactie: splitsing van een covalente binding door water
Hoge energie binding: DG° voor hydrolyse sterk negatief (leveren van chemische arbeid)
® Vb. acetyl-P en ATP
Cellen hebben bronnen van vrije energie nodig
Cellen: isotherm; constante temperatuur (en druk)
Flow van warmte ¹ energiebron; warmte enkel arbeid bij stroming naar lagere tempertuur
Heterotrofe cellen: energie uit voedselmoleculen
Fotosynthetische cellen: energie uit geabsorbeerde zonnestraling
transformatie tot ATP en andere energierijke verbindingen
® energie voor biologische arbeid bij constante druk en temperatuur
4
Voordelen van het kopen van samenvattingen bij Stuvia op een rij:
√ Verzekerd van kwaliteit door reviews
Stuvia-klanten hebben meer dan 700.000 samenvattingen beoordeeld. Zo weet je zeker dat je de beste documenten koopt!
Snel en makkelijk kopen
Je betaalt supersnel en eenmalig met iDeal, Bancontact of creditcard voor de samenvatting. Zonder lidmaatschap.
Focus op de essentie
Samenvattingen worden geschreven voor en door anderen. Daarom zijn de samenvattingen altijd betrouwbaar en actueel. Zo kom je snel tot de kern!
Veelgestelde vragen
Wat krijg ik als ik dit document koop?
Je krijgt een PDF, die direct beschikbaar is na je aankoop. Het gekochte document is altijd, overal en oneindig toegankelijk via je profiel.
Tevredenheidsgarantie: hoe werkt dat?
Onze tevredenheidsgarantie zorgt ervoor dat je altijd een studiedocument vindt dat goed bij je past. Je vult een formulier in en onze klantenservice regelt de rest.
Van wie koop ik deze samenvatting?
Stuvia is een marktplaats, je koop dit document dus niet van ons, maar van verkoper KatoVerwimp. Stuvia faciliteert de betaling aan de verkoper.
Zit ik meteen vast aan een abonnement?
Nee, je koopt alleen deze samenvatting voor €7,99. Je zit daarna nergens aan vast.
