Blok 1.5 casus 6
In elke lichaamscel raken voedingsstoffen betrokken bij een ontzettend grote variatie van
biochemische reacties, samen het metabolisme genoemd. Gedurende metabolisme worden
stoffen constant opgebouwd en afgebroken.
Cellen gebruiken energie om meer energie uit
voedsel te halen, en gebruiken deze verworven
energie vervolgens op een grotere schaal.
Metabolisme is het geheel van biochemische
processen die plaatsvinden in cellen en
organismen. Enzymen spelen bij de omzettingen
een centrale rol. Er wordt gewoonlijk
onderscheid gemaakt tussen de opbouw van
stoffen met gebruik van energie (anabolisme) en
de afbraak van complexere stoffen waarbij
energie weer vrijkomt (katabolisme).
Er zijn drie stadia betrokken bij het verwerken
van energie houdende voedingsstoffen in het lichaam:
1. De vertering in de GIT zoals in vorige casussen besproken is. De
geabsorbeerde voedingsstoffen worden dan getransporteerd via het bloed naar
weefselcellen.
2. Deze vindt plaats in het cytoplasma van de cel. Zojuist geleverde voedingsstoffen
worden ofwel opgebouwd tot vetten, eiwitten of glycogeen door anabole
mechanismen, ofwel afgebroken door katabole mechanismen tot pyruvaat en acetyl-
CoA.
3. Dit stadium is vrijwel alleen katabool, vindt plaats in de mitochondria, heeft zuurstof
nodig, en rondt de afbraak van voedsel af waarbij CO2, water en grote hoeveelheden
ATP gevormd worden.
Veel van de reacties die plaatsvinden in de cel zijn oxidatiereacties. Oxidatie is het verkrijgen
van zuurstof of het verlies van waterstof door het overdragen van elektronen. Wanneer een
stof elektronen verliest (geoxideerd wordt), verkrijgt de andere stof ze (wordt gereduceerd).
Dus, oxidatie en reductie zijn gekoppelde reacties en daarom spreken we van redoxreacties.
Redoxreacties worden gekatalyseerd door enzymen. De enzymen die redoxreacties waarbij
H+-atomen verwijderd worden katalyseren, heten dehydrogenases, terwijl de enzymen die
de overdracht van O2 katalyseren oxidases heten. De meeste van deze enzymen hebben de
hulp van een specifiek co-enzym nodig, speciaal afgeleid van een van de B-vitaminen.
Hoewel de enzymen de verwijdering van waterstofatomen katalyseren om een stof te
oxideren, kunnen ze geen waterstofatoom ontvangen. Hun co-enzymen echter, gedragen
zich als waterstof-/of elektronenacceptoren. Twee belangrijke co-enzymen van de
oxidatieve routes zijn nicotinamide adenine dinucleutide (NAD +), gebaseerd op niacine, en
flavine adenine dinucleotide (FAD).
,ATP-moleculen kunnen door twee mechanismen gevormd worden:
, - De substraatniveau fosforylatie: vindt plaats
wanneer hoog-energiefosfaatgroepen direct
overgedragen worden van gefosforyleerde
stoffen naar ADP. Dit proces vindt plaats omdat
de hoog-energieke verbindingen die de
fosfaatgroepen aan de substraten binden nog
instabieler zijn dan die in ATP. ATP wordt op deze
manier gesynthetiseerd gedurende glycolyse en
bij de Krebs cyclus. De enzymen die deze
fosforylaties katalyseren liggen zowel in het
cytoplasma als in de waterachtige matrix in de
mitochondria.
- De oxidatieve fosforylatie: is veel ingewikkelder, maar maakt dan ook de meeste
energie vrij dat uiteindelijk in ATP gevangen wordt gedurende cellulaire ademhaling.
Dit proces dat wordt verzorgd door elektronentransporteiwitten, vormen deel van
de mitochondria cristae, en is een voorbeeld van een chemiosmotisch proces. Zij
koppelen de beweging van stoffen over membranen aan chemische reacties. In dit
geval wordt wat van de energie vrijgemaakt gedurende de oxidatie van
voedingsstoffen gebruikt om protonen over het cristae membraan te pompen naar
de intermembraanruimte. Dit creëert een steile diffusiegradiënt voor protonen langs
het membraan. Daarna, wanneer H+ wel terugstroomt over het membraan (door een
membraankanaaleiwit genaamd ATP synthase), wordt een
deel van deze gradiënt energie gevangen en gebruikt om
fosfaatgroepen aan ADP te binden.
Katabolisme & anabolisme koolhydraten:
Omdat alle voedingskoolhydraten uiteindelijk omgezet
worden tot glucose, is koolhydraatmetabolisme eigenlijk
gewoon glucosemetabolisme. Glucose komt de
weefselcellen in door gefaciliteerde diffusie, een proces
dat sterk geholpen wordt door insuline. Meteen na
binnenkomst van de cel wordt glucose gefosforyleerd tot
glucose-6- fosfaat door opzetting van een fosfaatgroep
aan de 6e koolstofgroep in een gekoppelde reactie met ATP:
Glucose + ATP → glucose-6-P + ADP. De meeste lichaamscellen hebben niet de juiste
enzymen om deze reactie terug te laten gaan, dus glucose wordt in de cel
gevangengehouden. Omdat glucose-6-P een ander molecuul is dan glucose, worden
glucoseniveaus in de cel laag gehouden, waardoor de diffusiegradiënt voor glucose
behouden blijft. Alleen intestinale mucosacellen, niertubuli cellen en levercellen hebben de
enzymen die nodig zijn voor het omkeren van deze fosforylatie reactie, van waaruit ook hun
centrale rollen in glucose opname én afname. De katabole en anabole routes voor
koolhydraten beginnen allemaal met glucose-6-fosfaat.
, Glucose is het cruciale brandstofmolecuul in de oxidatieve (ATP-producerende) pathways.
Glucose wordt gekataboliseerd via de reactie:
C6H12O6 + O2 → 6CO2 + 6H2O + 32ATP + warmte
Deze oxidatie gebeurt in drie verschillende stappen:
- Glycolyse
- De Krebs cyclus
- De elektronentransportketen en oxidatieve fosforylering
Glycolyse:
Hierbij wordt glucose omgezet in twee pyruvaat moleculen. Dit proces vindt plaats in het
cytosol van de cel. Alle stappen behalve de eerste stap, waarbij glucose de cel binnenkomt
en gefosforyleerd wordt, zijn volledig reversibel. De glycolyse is een anaëroob proces.
1. Suiker activatie: hierbij wordt glucose gefosforyleerd tot fructose-6-P, die vervolgens
weer gefosforyleerd wordt. Deze drie stappen leveren fructose-1,6-bifosfaat op en
gebruiken twee ATP-moleculen. Deze fase voorziet de activatie-energie nodig voor
de latere stadia van de pathway. Het wordt dan ook wel de energie-investerende
fase genoemd.
2. Suiker splijting: fructose-1,6-bifosfaat wordt gespleten in twee 3-koolstoffragmenten
die (reversibel) een van de twee isomeren vormen: glyceraldehyde-3-fosfaat
of dihydroxyacteon fosfaat.