Pag. 51 (vanaf CATALYSIS AND THE….) tot
pag. 67 (tot NADH and NADPH…)
Chemische reacties in cellen komen normaal gesproken
alleen voor onder veel hogere temperaturen dan in
levende cellen, er zijn extra benodigdheden nodig. Dit zijn
katalysatoren, de meeste zijn enzymen en er zijn ook RNA
katalysatoren -> ribosomen.
Bij enzym-gekatalyseerde reacties zijn de producten van
de ene reactie het begin materiaal/substraat voor de
volgende.
Twee tegenovergestelde stromen van chemische reacties
in cellen: -> metabolisme
1. Katabolische pad breekt voedsel tot kleinere
moleculen, dit geeft energie en moleculen als
bouwstenen
2. Anabolische/biosynthetische pad gebruikt de
energie en kleine moleculen voor de synthese van
andere moleculen die een cel vormen.
De tweede wet van thermodynamics: In het universum, of een ander geïsoleerd systeem, de
staat van chaos neemt altijd toe. Chaos kan gekwantificeerd en uitgedrukt worden in
entropie: hoe groter de chaos, hoe groter de entropie.
Cellen zijn niet geïsoleerd (energie van zon/voedsel) en genereren orde. Cellen zetten deel
van energie om in warmte, warmte zorgt voor chaos in omgeving en entropie neemt toe.
Eerste wet van thermodynamics: Energie kan omgezet worden van de ene vorm naar de
ander, maar kan niet gecreëerd of vernietigd worden.
Cellen worden voorzien van
energie die opgeslagen zit in
de chemische binding van
organische moleculen, wordt
vrijgemaakt door graduele
oxidatie - gecontroleerde
verbranding. C en H atomen
van organische moleculen
combineren met O, zodat
CO2 en H2O geproduceerd
wordt is aërobe ademhaling.
Fotosynthese en aërobe
ademhaling zijn complementaire processen. Koolstof en zuurstof gebruik vormen een grote
cirkel die betrekking heeft op de biosfeer als geheel (alle levende organismen).
Cellen oxideren organische moleculen in een groot aantal stappen van reacties. Oxidatie is
elke reactie waarbij elektronen worden getransporteerd van het ene atoom naar de ander,
het verwijderen van atomen. Reductie = het toevoegen van elektronen. Vaak wordt er ook
,een proton (H+) toegevoegd als er een elektron wordt toegevoegd. Oxidatie ->
dehydrogenering, reductie -> hydrogenering.
Vrije energie kan gebruikt worden om te
werken of om chemische reacties aan te
sturen. Verlies van vrije energie is
vermindering van ordelijkheid van de
manier waarop energie en moleculen
opgeslagen waren. Chemische reacties
gaan spontaan alleen in de richting die
leidt tot verlies van vrije energie, deze
reactie in energetisch gunstig. Moleculen
in levende organismen zijn in redelijk
stabiele staat en hebben dus activatie
energie nodig voordat het een chemische
reactie ondergaat. Enzymen zorgen voor de kick over de energie barrières. Elk enzym bindt
aan een substraat en zorgt voor vermindering van activatie energie van een reactie die de
substraat kan ondergaan. Een substantie die de activatie energie van een reactie kan
verlagen is een katalysator.
Het equilibrium van een reactie blijft onveranderd door enzymen. De heen en weer reactie
wordt namelijk met dezelfde factor vermeerderd. De richting kan dus niet veranderen.
Enzymen zijn erg selectief en precies, elk heeft een unieke vorm waar een activatie site zit.
Dit is een plek waar een specifiek substraat kan binden. Enzymen blijven onveranderd na
een reactie en kunnen dus blijven functioneren.
Er zijn relatief weinig enzymen en substraten in een cel, maar de warmte zorgt ervoor dat de
moleculen sneller bewegen en daardoor werken ze nog steeds snel met elkaar.
Er zijn drie soorten moleculaire beweging:
1. Translational motion, beweging van een molecuul van de ene plek naar de ander
2. Een snelle heen en weer beweging van covalent gelinkte atomen
3. Rotaties
Random walk is de afstand proportioneel tot de wortel van de tijd die voorbij is. Enzymen
staan zowat stil en substraten bewegen snel door de cel.
Vrije energie, G, is energie die beschikbaar is om te werken. Delta G is een meeteenheid
van de hoeveelheid chaos die gecreëerd is door een reactie. Energetisch gunstige reacties
verminderen vrije energie, hebben een negatieve delta G, en brengen chaos. Energetisch
ongunstige reacties hebben een positieve delta G, bijv. het binden van twee aminozuren tot
een peptide binding. Deze reacties kunnen alleen plaatsvinden als een gekoppelde reactie
een grotere negatieve delta G produceert. Deze moet eerst plaatsvinden.
Delta G hangt ook af van de concentratie van de moleculen, meer Y dan X bij een reversible
reactie Y <-> X geeft Y -> X.
Standaard vrije energieverandering, ΔG°, is de verandering van vrije energie onder
standaard condities, concentratie reactanten = 1mol/L. ΔG° hangt dus alleen af van het
karakter van reagerende moleculen.
, Over tijd zal de concentratie van de producten toenemen en de concentratie van het
substraat afnemen. Hierdoor wordt ΔG minder negatief en uiteindelijk 0, een chemisch
equilibrium is dan bereikt. Het concentratie effect balanceert de duw van de ΔG°.
Equilibrium constante K = concentratie X(product) / concentratie Y(reactant).
Energie is vaak opgeslagen in chemische bindingsenergie in geactiveerde drager moleculen
(co enzymen), met energierijke covalente bindingen (ATP, NADH). Deze moleculen
diffunderen snel door en cel naar plekken waar de energie gebruikt moet worden. Vaak is de
energie opgeslagen als een gemakkelijk overdraagbare chemische group of als elektronen
op hoge energielevel.
Gekoppelde reacties hebben
enzymen nodig en zijn fundamenteel
voor alle energie transactie in een
cel. In de afbeelding hiernaast zijn de
vallende stenen energetisch gunstige
reacties en de wateremmers de
energetisch ongunstige reacties, het
wiel zijn enzymen.
ATP (adenosine trifosfaat) wordt
gesynthetiseerd in een energetisch
ongunstige fosforylatie reactie waarbij een fosfaatgroep aan ADP wordt vastgemaakt. ATP
geeft energie weg door hydrolyse tot ADP en fosfaat.
Bij typische biosynthetische reactie komen twee
moleculen, A en B samen om A-B te vormen in een
energetisch ongunstige condensatie reactie:
A-H + B-OH -> A-B + H2O
Met koppeling aan ATP hydrolyse wordt de energie
gebruikt om B-OH om te zetten in een hogere energie
binding die direct met A-H kan reageren:
1. B-OH + ATP -> B-O-PO3 + ADP
2. A-H + B-O-PO3 -> A-B +Pi
Net resultaat: B-OH + ATP + A-H -> A-B + ADP + Pi
