Biochemie deel 1 course 5
Aantekeningen les week 1
Metabolisme gaat over wat er met je eten gebeurt. Metabolisme draait om katabolisme en
anabolisme. ATP, NADH, NADPH en FADH2 zijn de nuttige vormen van energie die je kan
krijgen als je eten afbreekt. Er komt nog warmte vrij, dit noemen we verloren hitte. Ook
komen er glucose moleculen vrij, dit zijn bouwstenen om nieuwe dingen te maken. Stel dat
we nieuwe dingen gaan maken, van bijvoorbeeld aminozuren, dan hebben we de
bouwstenen en energie nodig. Dit opbouwen is de anabole route. Het afbreken is de
katabole route. Voorbeelden van metabole routes zijn de citroenzuurcyclus en de glycolyse.
Dus bij de katabole routes komen nuttige vormen van energie, verloren hitte en bouwstenen
vrij en bij anabole routes worden er van die bouwstenen en nuttige vormen van energie
nieuwe producten gemaakt. Het doel is het kennen en begrijpen van de meest belangrijke
metabole routes in planten, bacteriën en dierlijke cellen. Hieronder vallen de glycolyse, de
citroenzuurcyclus, de ademhalingsketen en oxidatieve fosforylering, maar ook vrije energie
en energierijke moleculen.
* Van glucose naar vrije energie. Glucose wordt afgebroken en uiteindelijke krijgen we daar
energie uit. Van glucose naar ATP. Als eerste hebben we dan de glycolyse, daarna van
pyruvaat naar Acetyl-CoA en daarna de citroenzuurcyclus. Uiteindelijk vindt de oxidatieve
fosforylering plaats. In de citroenzuurcyclus zit het enzym IDH (praktijkopdracht). Al die
processen vinden in verschillende plekken van de cel plaats. Structuren moet je kunnen
herkennen bij deze processen en de namen moet je kennen. De glycolyse vindt plaats in het
cytosol, het omzetten van pyruvaat naar Acetyl-CoA en de citroenzuurcyclus in de
mitochondria en de ademhalingsketen en oxidatieve fosforylering in het membraan van de
mitochondria.
De volledige omzetting van glucose.
Stap 1. Glycolyse.
glucose ---------------> 2 pyruvate + ΔG (vrije energie)
(reduced) (partly oxidized)
glu + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ 2 pyruvate + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+
In de glycolyse wordt glucose omgezet naar pyruvaat. Delta G (is vrije energie), dus dit is in
de vorm van ATP en NADH. De glycolyse vindt plaats in het cytosol. Als we de glycolyse
bekijken is dat een hele keten van chemische reacties die glucose omzetten. Als eerste
hebben we de voorbereidingsfase en daarna hebben we uitbetaalfase. In de
voorbereidingsfase worden fosfaatgroepen van ATP gebruikt, ATP is hier nodig als
investering (hierbij investeren we energie). Bij de uitbetaalfase wordt de energie uitbetaald.
Hier komt dus meer energie vrij dan dat er werd geïnvesteerd.
→ Voorbereidingsfase. We beginnen met één molecuul glucose (structuur van glucose moet
je heel goed kennen). Glucose heeft zes C atomen. Aan vijf C atomen zit een OH groep. De
eerste stap is dat glucose, glucose 6-fosfaat wordt. De 6 slaat op het zesde C atoom van
glucose. Op het zesde C atoom komt een fosfaatgroep. Het enzym hexokinase faciliteert
deze reactie. Een kinase is een enzym dat fosfaatgroepen van ATP afhaalt en op een ander
molecuul zet (of van een ander molecuul naar ATP). Hexo is zes, dus dit enzym werkt op het
zesde C atoom. Een kinase heeft dus altijd iets met ATP te maken. Hieruit ontstaat dan ook
ADP (omdat er één fosfaatgroep weg is). Na glucose 6-fosfaat ontstaat er fructose 6-fosfaat.
Fructose 6-fosfaat heeft hetzelfde aantal C atomen, H atomen en O atomen. Het verschil is
dat ze op een andere manier aan elkaar vastzitten. Fructose is dus een isomeer van
glucose. Het enzym dat deze reactie faciliteert is een isomerase; dit is een enzym wat een
structuur in een isomeer verandert. De volledige naam van het enzym is fosfohexose
isomerase omdat bij fructose 6-fosfaat er nog een fosfaatmolecuul op het zesde C atoom zit.
Na fructose 6-fosfaat ontstaat er fructose 1,6-bifosfaat, door middel van het enzym fosfo-
fructokinase-1. Bij deze reactie wordt er weer ATP verbruikt, dus we hebben te maken met
,een kinase (er wordt weer een fosfaatmolecuul van het ATP molecuul gehaald). De laatste
stap van de investeringsfase wordt gefaciliteerd door het enzym aldolase. Hierbij wordt het
molecuul door middel gesplitst en worden er twee structuren van drie C atomen verkregen.
Beiden moleculen hebben één fosfaatmolecuul. Er ontstaat dan glyceraldehyde 3-fosfaat +
dihydroxyaceton fosfaat. Ze kunnen beiden naar elkaar worden omgezet. Als we kijken naar
wat de investeringsfase heeft gekost dan hebben we twee ATP moleculen geïnvesteerd.
Enzymen kunnen herkent worden aan de toevoeging –ase aan het einde. Sommige groepen
enzymen hebben specifieke functies. Kinases (enzym dat fosfaat groep van ATP op een
ander molecuul zet). Isomerase (katalyseert de omzetting naar een isomeer).
Dehydrogenase (katalyseert oxidatieve reacties, dus vorming van NADH/FADH2).
→ Uitbetaalfase. Bovenaan beginnen we met de moleculen die ontstaan zijn aan het einde
van de investeringsfase. Glyceraldehyde 3-fosfaat bevat drie C atomen (op het derde C
atoom bevindt zich de fosfaatgroep). Aan het begin van de investeringsfase zijn we
begonnen met één glucose molecuul, nu hebben we al twee moleculen. Om deze reden
staat in het schema overal een twee voor. Het volgende product dat gevormd wordt is 1,3-
Bisfosfoglycerate. Bis staat voor de twee fosfaatgroepen. 1,3 betekent één fosfaatgroep op
het eerste C atoom en één fosfaatgroep op het derde C atoom. Het enzym wat de reactie
faciliteert is glyceraldehyde 3-fosfaat dehydrogenase. De naam van het eerste deel van het
enzym geeft aan op welk molecuul het enzym werkt en dehydrogenase geeft aan dat het met
een oxidatiereactie te maken heeft (vorming van energierijke moleculen). De elektronen
gaan van glyceraldehyde 3-fosfaat naar NADH. NADH neemt dus elektronen op. Er worden
dan twee NADH moleculen gevormd. Het volgende product is naar 3-fosfoglyceraat. Bij deze
reactie gaat er dus een fosfaatgroep af. Deze reactie wordt gefaciliteerd door een kinase,
dus de fosfaatgroep gaat naar een ATP molecuul toe. Dit gebeurt twee keer want we hebben
twee moleculen (er ontstaat dus ook twee ATP). De gene op plek 1 is verdwenen, dus er
bevindt zich nog een fosfaatgroep op het derde C atoom. De complete naam van het enzym
was fosfoglyceraat kinase (duidt op het molecuul waarop het werkt). Vervolgens ontstaat er
het product 2-fosfoglyceraat, door middel van het enzym fosfoglyceraat mutase. Een mutase
enzym muteert een molecuul als het ware (dus het fosfaatmolecuul gaat naar het tweede C
atoom). Het volgende product is fosfoenolpyruvaat, door middel van het enzym enolase. Het
enzym enolase splitst twee watermoleculen af. Uiteindelijk ontstaat er pyruvaat door het
enzym pyruvaat kinase. Er worden twee ATP moleculen gevormd doordat er twee
fosfaatmoleculen op worden gezet. Uiteindelijk zijn er bij de uitbetaalfase en 4 ATP
moleculen en 2 NADH moleculen gevormd. Dus in totaal betekent dat een netto opbrengst
van 2 ATP winst + 2 NADH.
Er kunnen dus van één glucose molecuul twee pyruvaat moleculen ontstaan omdat het 6 C
molecuul wordt gesplitst in twee van 3 C moleculen.
Van glycolyse kennen. Alle structuren moet je kunnen herkennen en naam kunnen geven
(opschrijven) + enzymen. Je hoeft niet de structuur te kunnen tekenen.
Pyruvaat oxidatie. Dehydrogenases zorgen ervoor dat er waterstof aftomen en elektronen
van een molecuul af gaan en gekoppeld worden aan NADH.
De glycolyse vindt plaats in het cytosol. Pyruvaat aan het einde van de glycolyse wordt de
mitochondriën in getransporteerd en omgezet in acetyl-CoA. 2 pyruvaat dus in 2 acetyl-CoA.
Er worden weer elektronen overgedragen dus er is weer een dehydrogenase aan de gang
(elektronen en waterstof atomen overgedragen naar NADH).
2 pyruvate + 2 CoA + 2 NAD+ -----> 2 Acetyl-CoA + 2 CO2 + 2 NADH.
,Het omzetten van pyruvaat naar Acetyl-CoA wordt gekatalyseerd door het pyruvaat
dehydrogenase complex. Hierbij zijn 5 co-enzymen nodig.
- TPP, liplyllysine en FAD zijn prosthetische groepen.
- NAD+ en CoA-SH zijn co-substraten.
Co-enzymen zijn niet-eiwitmoleculen die bijdragen aan de functie van een enzym. Als ze
voortdurend aan het enzym gebonden zijn worden ze soms een prosthetische groep
genoemd. Een prosthetische groep is iets wat er aan vast zit maar wat er niet bij hoort. Co-
enzymen zijn geen permanent onderdeel van de structuur van een enzym. Ze binden,
vervullen een functie en laten weer los. De functie van CoA is het accepteren en dragen van
acetyl-groepen. Co-substraten (substraat is het gene waarop het enzym werkt), Co-enzym-A
zit er tijdelijk aan vast. Het pyruvaat molecuul reageert met Co-enzym-A, je hebt NAD+ nodig
en nog andere co-enzymen die een rol spelen bij de reactie. Alles in de reactie wordt bij
elkaar gehouden door het pyruvaat dehydrogenase complex. Elektronen worden gekoppeld
aan NADH. Bij pyruvaat heb je twee C atomen, bij acetyl-CoA heb je één C atoom. Het
andere C atoom raken we kwijt in de vorm van CO2. Ook wordt Co-enzym-A gekoppeld aan
het acetyl-CoA. Bij pyruvaat oxidatie verkrijgen we dus weer opnieuw energierijke moleculen.
Uiteindelijk verkrijgen we dus 2 NADH.
Stap 2. Citroenzuurcyclus.
2 Acetyl-CoA + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP +2 Pi + 4 H2O 4 CO2 + 6 NADH + 6 H+ + 2 FADH2
+ 2 GTP + 2 CoA
Bij de citroenzuurcyclus beginnen we met de acetyl-CoA (bovenaan de cirkel). Acetyl-CoA
reageert met oxaaloacetaat tot citraat door middel van het enzym citraat syntase. Citraat
wordt vervolgens door het enzym aconitase omgezet tot isocitraat. Isocitraat wordt
vervolgens door het enzym isocitraat dehydrogenase (IDH) omgezet in alfa-ketoglutaraat. Bij
deze stap wordt er CO2 afgesplitst en NADH gevormd. Vervolgens wordt alfa-ketoglutaraat
door het enzym alfa-ketoglutaraat dehydrogenase complex omgezet tot succinyl-CoA. Bij
deze reactie wordt wederom CO2 afgesplitst en NADH gevormd. Succinyl-CoA wordt
vervolgens door middel van succinyl-CoA synthetase omgezet tot succinaat. Hierbij komt 1
GTP vrij (staat gelijk aan 1 ATP). Succinaat wordt daarna omgezet tot fumaraat door middel
van het enzym succinaat dehydrogenase. Hierbij wordt FADH2 gevormd. Het enzym
fumarase zet vervolgens fumaraat om tot maltaat. Maltaat wordt uiteindelijk door middel van
het enzym maltaat dehydrogenase omgezet tot oxaaloacetaat. Bij deze omzetting wordt
weer NADH gevormd.
Goed kijken want bij alfa-ketoglutaraat heb je 5 C atomen. Je wil uiteindelijk weer naar 4 C
, atomen toe om de cirkel weer rond te maken. Daarna wordt er weer Co-enzym-A aan
vastgekoppeld. In de 4 C atomen die we over hebben, zit nog energie. Daarom is het tweede
stukje van de cyclus belangrijk. Succinaat dehydrogense investeert waterstofmoleculen naar
FADH2. Water vervolgens weer gekoppeld aan fumaraat en daarna krijg je malaat.
Oxaalacetaat is het eindepunt en kan weer reageren met een nieuw Acetyl-CoA molecuul.
We gaan twee keer de cyclus door omdat we twee keer Acetyl-Co-A hebben. We krijgen dan
2 GTP omdat we de cyclus twee keer doorlopen (2 acetyl-CoA).
Het gehele plaatje moet je kennen. Je moet de structuurformules kunnen herkennen en de
namen van de substraten en enzymen kennen. Je hoeft niet te weten wanneer er water
afgaat of water bijkomt, je moet wel weten wanneer er NADH en FADH2 wordt gevormd.
Kan de citroenzuurcyclus oneindig door blijven gaat? Waar is het afhankelijk van? In theorie
kan hij oneindig doorlopen. De cyclus is afhankelijk van het ademhalen, de glucoseaanvoer,
water, Acetyl-CoA, NAD+, FADH en GDP. Deze moleculen heeft hij allemaal nodig om te
kunnen draaien.
Hoeveel reacties van de citroenzuurcyclus zijn omkeerbaar? Hoe kan de cirkel blijven
doorlopen? Heel veel reacties in de citroenzuurcyclus zijn omkeerbaar, omdat het product
meteen weer gebruikt wordt door de volgende.
Hoeveel CO2 moleculen zijn er uiteindelijk geproduceerd uit één glucose molecuul?
Uiteindelijk zijn er 6 koolstofdioxidemoleculen geproduceerd door één glucosemolecuul
omdat er 6 C atomen in een glucosemolecuul zitten. Twee CO2 moleculen komen vrij tijdens
de citroenzuurcyclus en twee CO2 moleculen tijdens de pyruvaat oxidatie. Omdat de
citroenzuurcyclus twee keer draait bij één glucosemolecuul komen er vier voort uit de
citroenzuurcyclus. In totaal zijn dat dus 6 CO2 moleculen.
