Het Intermediair of cellulair metabolisme
advertisement
Samenvatting Metabolisme 1 Het Intermediair of cellulair metabolisme 1. Inleiding Cellulair of intermediair metabolisme = Geheel van biochemische reacties die plaatsgrijpen in de cel Hoofdfuncties 1. Cel voorzien van energie Oxidatie organische voedingsstoffen Fotosynthese 2. Afbraak voedingsstoffen tot bouwstenen 3. Samenvoegen bouwstenen met synthese van macromoleculen 4. Afbraak + wederopbouw biomoleculen Geheel van metabolische reacties onderverdeeld in Katabolisme = afbraak -extracellulair -intracellulair Aantal afbraak reacties = oxidatieve reacties Anabolisme = opbouw Energie komt vrij Rechtstreeks of onrechtstreeks gebruikt voor ATP synthese en komt weer vrij bij hydrolyse ATP + gebruikt voor talrijke processen die energie vereisen Katabolische reactie = oxidatieve reactie e- vrijgesteld en OT C neemt toe Energierijke e- aan meer EN elementen overgedragen Verliezen energie Bij cellulair metabolisme vrijgekomen p+ en e- overgedragen op co-enzymes NAD+ en FAD 4 fasen in katabolisme Fase 1: Biomoleculen afgebroken tot bouwstenen Door hydrolytische enzymen Grijpt zowel extracellulair en intracellulair plaats Fase 2: Omvorming bouwstenen tot aantal gemeenschappelijke intermediairen = kleine organische moleculen Fase 3: Intermediairen geoxideerd tot CO2 e- overgedragen op NAD+ of FAD gereduceerd tot NADH en FADH2 2 Dit gebeurt tijdens de Krebscyclus energie die vrijkomt bij oxidatie tot CO2 overgedragen op NAD+ en FAD accepteren energierijke eFase 4: Oxidatie gereduceerde co-enzymen waarbij e- overgedragen worden aan O2 grootste deel energie beschikbaar Gebruikt voor vorming ATP uit ADP+P = terminale oxidatie of ademhalingsketen Katabolisme is gekoppeld aan anabolisme Anabolische reactie = reductief proces e- toegevoegd aan afbraakproducten van het katabolisme om nieuwe moleculen te vormen DOEL: Levensnoodzakelijke biomoleculen te synthetiseren gebruikmakend van de bouwstenen en de energie die geleverd worden door het katabolisme. 2. Koolhydraatmetabolisme 2.1. Vertering en absorptie van koolhydraten Poly- en disacchariden in spijsverteringskanaal afgebroken tot componenten die door wand v.d. dunne darm geabsorbeerd worden. Start vertering = MONDHOLTE -amylase breekt snel verteerbaar zetmeel af waarbij maltose eenheden afgesplitst worden SLOKDARM geen nieuwe koolhydraatsplitsende enzymen vrij gesteld afbraak zetmeel gaat door MAAG inhibeerd activiteit koolhydraatsplitsend enzym -amylase door zure pH 12 VINGERIGE DARM Pancreassap (duodenum) -Bevat -amylase. -Breekt verteerbaar + resistent Zetmeel af tot maltose eenheden DUNNE DARM (jejunum en ileum) POORTADER darmsap gesecreteerd -bevat lactase en maltase zetten lactose om tot glucose en galactose zetten maltose om tot glucose gesecreteerd darmsap bevat ook sacharase dat sucrose omzet naar glucose en fructose glucose, fructose en galactose naar lever getransporteerd enige bloedvat in het lichaam waar naast glucose ook fructose en galactose aanwezig is 3 2.2. Regulatie van de bloedsuikerspiegel Koolhydraten = belangrijkste energiebron voor de cel Meeste weefsels gebruikt vetzuren om energiebehoeften te voorzien Uitzondering = hersencellen en zenuwcellen!!!!!! Hersenen voor energievoorziening volledig afhankelijk van de bloedsuikerspiegel. Bloedsuikerspiegel is bepalend voor hersenactiviteit Normale bloedsuikerspiegel nuchtere toestand = 60 tot 100mg/100ml bloed na maaltijd = 140mg/100ml bloed Deel v.d. glucose door nieren uitgescheiden Afwijking normale waarde effect op hersenen en zenuwstelsel Wij nemen niet voordurend glucose op noodzakelijk dat er mechanismen zijn die zorgen dat er in het bloed een relatief constante glucose spiegel is Regulatie glucosegehalte via HOMEOSTASE Lever, pancreashormonen (insuline en glucagon) spelen centrale rol Na maaltijd glucosegehalte bloed β-cellen pancreas reageren secretie hormoon insuline Stimuleert transport glucose doorheen celmembranen. Insuline bindt met insulinereceptor ontstaan intracellulair signaal aanwezige membraanblaasjes (rijk aan glucosepermeasen) gaan versmelten met celmembraan concentratie aan glucosepermeasen meer glucose via diffusie cel binnen Vervolgens Insuline stimuleert lever en spiercellen om glycogeen te vormen uit glucose + in vetweefsel glucose omgezet naar vet bloedsuikerspiegel tot normaal niveau + vermindert stimulans voor insulinesecretie INSULINESECRETIE VALT STIL Bloedsuikerspiegel te laag -cellen pancreas reageren secretie hormoon glucagon glucosegehalte bloed zet lever aan tot vrijstellen van glucose uit glycogeenreserve of glucosesynthese uit bepaalde aminozuren of glycerol tot normaal niveau stimulans glucagonsecretie vermindert 4 GLUCAGONSECRETIE VALT STIL !!!!!!!!!!HYPOGLYCEMIE = glucosegehalte in bloed is te laag -Treedt meestal acuut op -Gekenmerkt door bleekheid, duizeligheid, hoofdpijn, overmatig zweten hongergevoel en geeuwen -Veroorzaakt door SUIKERTEKORT bij –intensieve sportbeoefening -lactatie -overslaan van maaltijden -traagheid van de hormonale regeling!! Glucoseregulatie = traag werkend proces Hormonen moeten plaats van bestemming bereiken + verdwijnen niet ineens Ideaal proces voor complexe koolhydraten Verteren langzaam Bloedsuikerspiegel geleidelijk aan. eenvoudige suikers snel door bloed opgenomen abrupte bloedsuikerspiegel pancreas veel insuline produceren lichaamscellen glucose op reageren en nemen bloedsuikerspiegel + suikertoevoer houdt abrupt op + nog steeds insuline aanwezig in bloed lichaamscellen blijven glucose opnemen + glucosegehalte daalt tot niveau lager dan bloedsuikerspiegel voor suikerinname. Zorgt voor hongergevoel zin in eetwaren die veel suiker bevatten Creëren vicieuze cirkel die leidt tot een uitgeputte alvleesklier DIABETES 5 HYPERGLYCEMIE = te hoog glucosegehalte in het bloed Bloed bevat meer dan 10mmol glucose/l bloed. Komt voor bij suikerziekte Leidt tot hoger glucosegehalte in de urine + gestoord koolhydraatmetabolisme door onvoldoende productie en/of werking van insuline 2.3. Glycogenese en glycogenolyse Concentratie glucose in cel mag niet te sterk stijgen anders osmotisch potentiaal cel sterk glucose niet meer vlot via diffusie opgenomen daarom onnodig glucose omgezet tot glycogeen = GLYCOGENESE Opeenvolging van reacties waarvoor verschillende specifieke enzymes vereist zijn + 2 energierijke verbindingen (ATP,UTP) nodig per gepolymeriseerd glucosemolecule Intracellulair signaal dat ontstaat na binden van insuline aan receptor zorgt dat het enzym glycogeensynthase geactiveerd wordt. Gevormd glycogeen = directe voorraad aan glucose in de cel Optimale voeding voorraad aan glycogeen = 70g in lever, 200g in spieren = voldoende om 1 lange nacht te overbruggen zonder voeding Glycogeen = sferische molecule met zeer veel vertakkingen meerdere glucosemoleculen op hetzelfde ogenblik van afgesplitst (hydrolyse) Opname bloedglucose in spier- en levercellen = afname bloedsuikerspiegel Productie insuline stop gezet en glucagon gesecreteerd Bindt aan receptor ontstaan intracellulair signaal afremming glycogeensynthase + stimulatie van enzymen die zorgen voor hydrolyse van glycogeen ter vorming van glucose = GLYCOGENOLYSE Ontstaan glucose wordt vrijgesteld in het bloed om het suikergehalte op een normaal peil te houden. Stresssituaties veel energie nodig noodzakelijk dat er voldoende glucose ter beschikking is Adrenaline ter hoogte van de spiercellen eenzelfde effect als glucagon ter hoogte van de lever glycogenolyse bevorderen Voldoende glucose ter beschikking Voorraad glycogeen = op vanuit andere stoffen (vetzuren/aminozuren) glucose aangemaakt = GLUCONEOGENESE (geregeld door glucagon) 6 2.4. Het cellulair koolhydraatmetabolisme Start zodra monosacchariden lever bereikt hebben via de poortader In lever glucose en fructose omgezet naar glucogeen LEVER = sleutelrol in koolhydraatmetabolisme Processen: -Glycogenese (o.i.v. insuline) = opbouw van glycogeen uit glucose -glycogenolyse (oiv glucagon en adrenaline) = afbraak van glycogeen tot glucose -verbranding = glycolyse + citroenzuurcyclus + ademhalingsketen CO2 + H2O + energie -vetvorming uit glucose -gluconeogenese= glucosevorming uit bepaalde aminozuren en glycerol Glucose via bloedbaan verschillende weefsels -Spierweefsel: glycogenese, glycogenolyse + glucoseverbranding -Weefsel melkklier: lactose opgebouwd uit glucose -Andere weefsels: glucoseverbranding Overtollige glucose in vetweefsel omgezet naar vet CO2 en H2O (glucoseverbranding vrij) via bloed naar uitscheidingsorganen 2.4.1. Oxidatie (= verbranding) van glucose Bloedglucose in weefselcellen gebruikt voor biosynthesereacties gebruikt voor vorming van cellulaire energie via CELLULAIRE RESPIRATIE Tijden celademhaling glucose geoxideerd tot CO2, water en ATP Cellulaire respiratieprocessen = vrij efficiënt Voor elk geoxideerd glucose molecule 38 ATP moleculen geproduceerd Celademhaling = zeer complex proces veel verschillende deelreacties met elk specifieke enzymes en coënzymes Globaal 3 onderdelen 1) Glycolyse 2) Krebscyclus 3) Terminale oxidatie 2.4.1.1. De glycolyse (Embden-Meyerhof pathway) Letterlijk = verliezen of splitsen van een zoete component = afbraak van glucose tot pyrodruivenzuur!!! -gebeurt in cytoplasma van alle cellen -10 deelreacties -nodige enzymen permanent aanwezig in cytoplasma 7 1e reactie: Fosforylering van glucose tot glucose-6-fosfaat -reactie verloopt zeer snel -membranen =permeabel voor glucose; ≠ permeabel voor gefosforyleerde suikers eens glucose opgenomen door cel onmiddellijk omgezet tot glucose-6-fosfaat kan cel niet meer verlaten door diffusie fosforylatie van substraatmoleculen verhindert dit -hexokinase met hoge affiniteit voor glucose = enzym dat deze reactie katalyseert 2+ Mg = cofactor + gekenmerkt door productinhibitie Enzym stopt haar activiteit indien er te veel glucose-6fosfaat is -reactie verbruikt 1 mol ATP (leverancier P-groep) / mol glucose In lever reactie gekatalyseerd door glucokinase Enkel werkzaam bij hoge glucoseconcentraties (Michaëlisconstante = 1000x > michaëlisconstante hexokinase) Hoge bloedsuikerspiegel levercellen glucose opnemen voor synthese van glycogeen 2e reactie: Isomeristatie van glucose-6-fosfaat tot fructose-6-fosfaat 3e reactie: Fosforylering van fructose-6-fosfaat tot fructose-1,6-bisfosfaat -2de fosfaatgroep gebonden op fructosemolecule na splitsing C6 molecule beide C3 moleculen voorzien van een P-groep (niet doorheen celmembraan diffunderen) -Belangrijkste controlepunt van de glycolyse-fosfofructokinase = allosterisch enzym Activiteit geregeld door -ATP en citroenzuur Veroorzaken inhibitie bij te hoge concentratie -AMP, ADP en fructose-6-fosfaat Veroorzaken activatie bij te hoge concentratie -traagste reactie glycolyse snelheidsbepalende stap 4e reactie: Splitsing van fructose-1,6-bisfosfaat tot dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat -Aldolase splitst C6-suiker in 2 moleculen met 3 C atomen 5e reactie: Isomerisatie van dihydroxyaceton-fosfaat tot glyceraldehyde-3-fosfaat -triosefosfaatisomerase werkt uiterst snel (1 enzyme katalyseert 945000 substraatmoleculen/min) -Bij verbruik van glyceraldehyde-3-fosfaat evenwicht onmiddellijk opnieuw ingesteld steeds voldoende glyceraldehyde-3-fosfaat -Glyceraldehyde-3-fosfaat = enige oxideerbare molecule in glycolyse -Dihydroxyaceton-fosfaat = precursormolecule voor glycerol synthese 6e tot en met de 10de reactie -energieproducerende stap -Glyceraldehyde-3-fosfaat geoxideerd tot pyrodruivenzuur -per reactie: 1NAD+ gereduceerd tot NADH+H+ en 2 ADP gefosforyleerd tot 2ATP (fosfaat is afkomstig van de metabolieten) =SUBSTRAATFOSFORYLATIE 8 Per glucosemolecule 2 glyceraldehyde-3-fosfaatmoleculen 2x dit proces per glucosemole cule GLOBAAL Afbraak 1mol glucose tot 2mol pyrodruivenzuur energie voor cel Tijdens glycolyse: 2mol ATP gebruikt en 4 mol gevormd =NETTOPRODUCTIE VAN 2mol ATP/mol glucose Afbraak glucose = oxidatie Door 2 co-enzymen NAD+ die reduceren tot 2NADH+2H+ C6H12O6 + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2C3H4O3 + 2NADH + 2H+ + 2 ATP Ontstaan ATP = fractie van de totale energie Tussenproducten glucosekatabolisme dienen als uitgangsproduct voor de synthese van aminozuren, nucleotiden, vetzuren en vetachtige componenten of andere koolhydraten. INTERMEZZO: Pentosefosfaat pathway = alternatief katabolisme van glucose In glycolyse glucose-6-fosfaat omgezet tot fructose-6-fosfaat en glyceraldehyde-3-fosfaat Glucose-6-fosfaat = uitgangsproduct PENTOSEFOSFAATMETABOLISME -in de levercellen -glucose-6-fosfaat geoxideerd tot CO2 en C5suikerfosfaat -ribulose-5-fosfaat gevormd + extra gereduceerde co-enzymen (NADPH) vrijgesteld -Ribulose-5-fosfaat wordt omgezet tot ribose-5-fosfaat (door enzymen) -gereduceerde co-enzymen zijn noodzakelijk in talrijke biosynthesereacties (vb. vetzuursynthese) INTERMEZZO: Het anaeroob metabolisme Glycolyse kan pas plaatsvinden als er voldoende NAD+ voorhanden is als oxidans In cel beperkte voorraad aan co-enzymen aanwezig gereduceerde co-enzymen moeten snel terug geoxideerd worden Aanwezigheid van zuurstof gereduceerde co-enzymen terug geoxideerd met behulp van O2 = tijdens terminale oxidatie Afwezigheid van zuurstof oxidatie gereduceerde co-enzymen gekoppeld aan reductie van pyrodruivenzuur tot melkzuur (gereduceerde co-enzymen dienen hier als reductans) voortdurend gekoppeld aan glycolyse systeem kan zelfstandig blijven draaien (geen netto-oxidatie of reductie + geen O2 nodig) =ANAEROOB METABOLISME -treedt op bij onvoldoende toevoer van zuurstof en indien er een grote energievoorziening nodig is 9 Om voldoende energie te krijgen bij zeer zware inspanningen naast aeroob metabolisme extra energievoorziening door afbraak van glucose tot melkzuur Anaeroob metabolisme = fermentatie (melkzuurfermentatie) -slecht gering deel van de energie vrij -ontstaan melkzuur = toxisch Melkzuur verlaat de spiercellen via bloed in lever weer omgezet tot glucose + indien nodig opgestapeld onder de vorm van glycogeen Gisten + andere micro-organismen produceren ethanol en CO2 tijdens anaeroob metabolisme van suiker = ALCOHOLFERMENTATIE -decarboxylatie van pyruvaat leidt tot de vorming van acetaldehyde gereduceerd tot ethanol door ethanoldehydrogenase NAD+ geregenereerd 2.4.1.2. De Krebscyclus of citroenzuurcyclus Afwezigheid van O2 pyrodruivenzuur omgezet naar melkzuur Aanwezigheid van O2 pyrodruivenzuur afgebroken tot CO2 en H2O O2 = finale elektronenacceptor + vrijgekomen energie wordt opgeslagen (ATP) In MITOCHONDRIËN Via permease pyrodruivenzuur opgenomen in mitochondriën Buitenmembraan -grote kanalen (porines) waardoor Moleculen diffunderen Grootste hoeveelheid energie (geproduceerd tijdens gereduceerde co-enzymen (ontstaan tijdens oxidatie) oxidatie) Binnenmembraan -talrijke specifieke transportsystemen gestockeerd in Aeroob metabolisme = 2 processen Proces 1: Eigenlijke oxidatie tot CO2 -e- organisch materiaal worden overgedragen op co-enzymes -gebeurt in de matrix van de mitochondriën enzymen voor deze reeks reacties bevinden zich daar Proces 2: Oxidatie van de gereduceerde co-enzymes -e- worden overgedragen op O2 gaat gepaard met ATP-vorming -gebeurt ter hoogte van het mitochondriaal membraan 10 2.4.1.2.1. De vorming van actiefacetaat (acetylCoA) Eerste reactie = zeer complexe reactie - geen echt onderdeel van Krebscyclus Gekatalyseerd door enzymcomplex = PYRODRUIVENZUURDEHYDROGENASE -bevat 3 verschillende enzymen -verricht 3 processen Decarboxylatie Dehydrogenatie -ontstaan azijnzuur Binden acetaat op CoA -ontstaan energierijk thioester verbinding (acetylCoA) acetaat geactiveerd =actiefacetaat om deze 3 functies te kunnen vervullen 5 verschillende co-factoren nodig -NAD+ (oxidans) -co-enzym A (afgeleid van vit. B) -FAD -Mg2+ -thiamine pyrofosfaat (decarboxylatie ketozuur) -lipoïnezuur (transfer acetylgroep naar CoA) 2.4.1.2.2. Vorming van citroenzuur en oxidatie tot CO2 Geactiveerd acetaat volledig geoxideerd tot CO2 CITROENZUURSYNTHETASE voert condensatiereactie uit tussen acetylCoA en oxaalazijnzuur acetylgroep bindt op oxaalazijnzuur (vorming citroenzuur) CoA vrijgesteld Citroenzuur deel van een cyclische reeks reacties = CITROENZUURCYCLUS OF DE KREBSCYCLUS !!! cyclische aard van de reacties Reactie 1: acetylCoA reageert met oxaalazijnzuur -vorming van citroenzuur Laatste reactie: Opnieuw productie oxaalazijnzuur -kan opnieuw reageren met andere acetylCoA-molecule Omzetting van citroenzuur tot oxaalazijnzuur = oxidatie waarbij 2mol CO2 vrijkomt Algemene beschouwingen Krebscyclus -decarboxylatie tijdens reacties 3 en 4 -Oxidatie tijdens reacties 3, 4, 6, 8 zowel NAD+ en FAD oxidantia + van 4 paar Hatomen die vrijkomen 3 paar bij NAD+ 1 paar bij FAD -ATP vorming onrechtstreeks tijdens reactie 5 via GTP (defosforylatie GTP tot GDP gekoppeld aan fosforylering ADP tot ATP gebeurt door translocase ter hoogte van binnenmembraan mitochondriën) -Regulatie Krebscyclus bij reactie 3 en 1 -3: Isocitraatdehydrogenase -geïnhibeerd door ATP en NADH -geactiveerd door ADP en NAD+ 11 -1: Citroenzuursynthetase = allosterisch enzyme -geïnhibeerd door ADP en NAD+ Zowel acetylCoA + verschillende intermediairen uit Krebscyclus van verschillende oorsprong + afkomstig uit koolhydraatmetabolisme, vetzuurmetabolisme of aminozuurmetabolisme + Ook basisbouwstenen voor verschillende metabolische wegen Krebscyclus = centrale plaats in cellulair metabolisme SAMENVATTEND Tijdens Krebscyclus actief acetaat geoxideerd tot CO2 FAD CH3-CO~S-CoA +3 NAD+ ADP+P 3H2O FADH2 2CO2 + 3 NADH + 3H+ + HS-CoA ATP Idem als bij Glycolyse 1 deel van de totale energie vrijgesteld deze gebruikt voor synthese van ATP Grootste deel energie zit in de gereduceerde co-enzymen Samenvatting volledige oxidatie van glucose tot CO2 A. Glycolyse: C6H12O6 + 2NAD+ + 2 ADP + 2P 2C3H4O3 + 2NADH + 2H+ + 2ATP B. Vorming actief acetaat: 2 C3H4O3 + 2NAD+ + 2HSCoA 2CH3COCoA + 2NADH + 2H+ + 2CO2 C. Krebscyclus 2CH3CO~CoA + 2FAD + 6NAD+ + 2ADP + 2P + 6H2O 4CO2 + 2HSCoA + 6NADH + 6H+ + 2FADH2 + 2ATP Totaal: C6H12O6 + 10NAD+ + 2FAD + 4ADP + 4P + 6H2O 6CO2 + 10NADH + 10H+ + 2FADH2 + 4ATP Grootste hoeveelheid energie vrijkomen in ademhalingsketen / terminale oxidatie gereduceerde co-enzymen worden terug geoxideerd met behulp van O2 2.4.1.3. 2.4.1.3.1. De terminale oxidatie Inleiding Globale oxidatie 1mol glucose tot 6 mol CO2 2872 kJ Synthese ATP uit ADP en P 30kJ/mol Tijdens glycolyse en Krebscyclus kleine fractie van de energie die vrijgekomen is bij oxidatie van 1mol glucose voor synthese van ATP 12 Door oxidatie co-enzymen met O2 grootste deel energie vrijkomen gebruikt voor synthese ATP GLOBAAL 2 oxidatie reacties -NADH + H+ + ½ O2 -FADH2 + ½ O2 NAD+ + H2O G = -218 kJ/mol FAD + H2O G = -159 kJ/mol Oxidatie 10 mol NADH + 2 mol FADH2 2498 kJ vrijkomen = theoretisch voldoende voor synthese van 83 mol ATP uit ADP en P Energie transfer rendement kleiner dan 50% + oxidatie 1 mol NADH levert 3mol ATP +oxidatie 1 mol FADH2 levert 2mol ATP Totale oxidatie gereduceerde co-enzymen ontstaan bij oxidatie van 1 mol glucose levert 34 mol ATP op + 4mol ATP door substraatfosforylering = Totale energie opbrengst van 38 mol ATP Fosforylatie gekoppeld aan oxidatie gereduceerde co-enzymen = OXIDATIEVE FOSFORYLATIE 2.4.1.3.2. Oxidatie in stappen Oxideren gereduceerde co-enzymen snel gebeuren cel heeft geen voorraad aan coenzymen geoxideerde co-enzymen dienen als oxidantia voor de oxidatie van glucose en andere moleculen Bij afwezigheid van O2 co-enzymen niet geoxideerd biologische oxidatie valt stil -Anaeroob metabolisme kan nog autonoom werken Aeroob metabolisme in mitochondriën Mitochondrium omgeven door -zacht buitenmembraan -doorlatend voor grote moleculen -sterk geplooid binnenmembraan -verdeelt mitochondrium in 2 ruimten Matrix intermembranaire ruimte -ondoorlatend voor ionen en polaire moleculen -bevat aantal enzymen die zorgen voor O2-verbruik en ATP-synthese -protonen en cofactoren (vb. NADH) kunnen niet vrij migreren van matrix naar intermembranaire ruimte Oxidatie gereduceerde co-enzymen = complex proces bestaat uit verschillende oxidoreductiereacties 13 -e- die co-enzymen afgeven niet rechtstreeks opgenomen door O2 wel onrechtstreeks via een reeks van elektronendragers Cytochromen = proteïnen die een haemgroep als prostetische groep hebben -bestaat uit 4 ringen die een ijzeratoom omgeven Wordt geoxideerd en gereduceerd tijdens de ademhaling Fe3+ en Fe2+ bekomen Elektronendragers als functionele eenheden gegroepeerd in de binnenmembraan mitochondria geven elektronen via oxido-reductiereacties door aan elkaar totdat de e- bij O2 belanden. Complex 1: NADH dehydrogenase complex -oxidatie NADH + reductie ubiquinon (UQ) -Bindingsplaats NADH in matrix mitochindrium Complex 2: Succinaatdehydrogenase complex -reductie ubiquinon door succinezuur Complex 3: Cytochroom bc1 -transfer van e- van UQH2 naar cytochroom c -bevat Fe en Cu Complex 4: Cytochroomoxidase -transfer van e- van cytochroom c naar O2 -bevat Fe en Cu Dit transport van e- over verschillende elektronendragers = ELEKTRONTENTRANSPORTKETEN of ADEMHALINGSKETEN Reeks reacties energie geleidelijk ter beschikking benut voor transporteren van p+ tegen de concentratiegradiënt in tijdens het doorgeven v.d. e- via elektronendragers protonen getransporteerd van matrixruimte mitochondriën naar intermembranaire ruimte Ontstaan protonengradiënt H+ concentratie matrix = lager dan in intermembranaire ruimte Oxidatie co-enzymen + elektronentransport = protonenpomp Oxidatie gereduceerde co-enzymen gepaard met ATP-productie drijvende kracht = protonengradiënt elektrische gradiënt Chemi-osmotische theorie van Mitchell 14 Chemi-osmose (Mitchell): de drijvende kracht voor fosforylatie = protonentransport - Elektronentransport tijdens ademhalingsketen = transport van protonen van matrix naar intermembranaire ruimte + cytosol pH matrix Portonen bezitten + lading matrix krijgt – lading en intermembranaire ruimte krijgt + lading pH-verschil + verschil in elektrische lading tussen matrix en intermembranaire ruimte = drijvende kracht die protonen terug duwt van de intermembranaire ruimte naar de matrix protongradiënt = proton-motive-force in staat arbeid te leveren. MAAR: binnenmembraan = ondoorlaatbaar voor protonen behalve ter hoogte van ATPsynthasen die voorzien zijn van een kanaal ATP-synthase koppelt inwaarts protonentransport doorheen het kanaal aan ATPsynthese energie voor ATP-synthese wordt geleverd door elektrochemische gradiënt Chemi-osmotisch = chemische reactie voor ATP-synthese is gekoppeld aan het transport van protonen tussen osmotisch verschillende ruimten die van elkaar gescheiden zijn door een membraan In en op het binnenmembraan talrijke ATP-producerende enzymen (ATP-synthasen) =omgekeerde protonenpompen -vormen kanaal doorheen binnenmembraan Zo protonen terug naar binnen (diffusie) Deze protonenflux naar matrix levert energie voor de synthese van ATP ATP-synthase naast kanaalgedeelte nog enzymgedeelte ADP fosforyleren met P tot ATP GLOBAAL werking mitochondriën 1) Buitenmembraan = permeabel voor veel stoffen door aanwezigheid van porine. = transporteiwit dat een soort kanaal vormt waardoor veel verschillende biomoleculen kunnen migreren 15 2) Het binnenmembraan bevat verschillende functionele eiwitten Permeasen laten toe dat metabolieten uit cytoplasma naar mitochondriale matrix kunnen diffunderen of omgekeerd (vb. Permease voor vetzuren) ATP/ADP translocase transporteiwit dat export van ATP toelaat in ruil voor import van ADP en P Elektronendragers (ademhalingsenzymen) liggen in gegroepeerde eenheden bij elkaar Atp-synthase dat met behulp van een protonengradiënt ADP fosforyleert tot ATP (oxidatieve fosforylering) Binnenmembraan ≠ doorlaatbaar voor co-enzymen O2 + CO2 via diffusie doorheen membranen van mitochondriën 3) In matrix enzymen voor oxidatie van pyrodruivenzuur en vetzuren 2.4.1.4. Samenvatting totale oxidatie van glucose A) Glycolyse: C6H12O6 + 2NAD+ + 2 ADP + 2P 2C3H4O3 + 2NADH + 2H+ + 2ATP B) Vorming actief acetaat: 2 C3H4O3 + 2NAD+ + 2HSCoA 2CH3COCoA + 2NADH + 2H+ + 2CO2 C) Krebscyclus 2CH3CO~CoA + 2FAD + 6NAD+ + 2ADP + 2P + 6H2O 4CO2 + 2HSCoA + 6NADH + 6H+ + 2FADH2 + 2ATP Totaal: C6H12O6 + 10NAD+ + 2FAD + 4ADP + 4P + 6H2O 6CO2 + 10NADH + 10H+ + 2FADH2 + 4ATP 34ADP + 34P 10NADH +10H+ 2FADH2 6O2 24e24H+ 10NAD+ 2FAD 12H2O 34 ATP Zodat: 38 ADP + 38 P C6H12O6 + 6H2O + 6O2 6CO2 + 12 H2O 38 ATP Of C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6H2O + energie 16 2.4.2. Gluconeogenese (glucose anabolisme) Gluconeogenese = vorming van suikers uit niet-suikercomponenten (vb melkzuur) en aminozuren = omgekeerde van de glycolyse enkele metabolische omzettingen door ander enzym gekatalyseerd (kinasen vervangen door fosfatasen en pyruvaatkinase vervangen door puryvaatcarboxylase) -Kan pas plaats vinden als er voldoende pyrodruivezuur aanwezig is Gevormd door: -oxidatie van melkzuur (cori-cyclus) -via katabolisme van analine 2.4.2.1. Cori-cyclus Bij intense spierarbeid spiercellen verbruiken meer O2 dan er kan worden aangevoerd via bloedbaan anaerobe condities gecreëerd + glucose omgezet to melkzuur melkzuur gesecreteerd in bloedbaan + getransporteerd naar lever opnieuw omgezet tot glucose (gluconeogenese) glucose getransporteerd naar spieren voor energiegeneratie glycolyse 2.4.2.2. Glucose-alaninecyclus Glucose-alaninecyclus = manier waarop het toxisch ammoniak gevormd in spiercellen omgezet wordt naar een niet toxische vorm (alanine) voor transport naar lever Onder anaerobe omstandigheden alanine gesynthetiseerd door transaminatiereactie tussen glutaminezuur en pyrodruivezuur alanine getransporteerd naar lever pyrodruivezuur geregenereerd + bij lage bloedsuikerspiegel via gluconeogenese glucose gevormd in lever glucose getransporteerd naar spieren voor energiegeneratie in glycolyse 3. Lipidenmetabolisme 3.1. Vertering en absorptie van vetten Lipiden = heterogene groep van lange koolwaterstofverbindingen die apolair of hydrofob zijn en goed oplosbaar zijn in organische oplosmiddelen Voorkomen in levensmiddelen: Vetzuren Glyceriden Fosfolipiden Sterolen Korte-keten vetzuren (2-4 C-atomen) + medium-keten vetzuren + fosfolipiden = min of meer wateroplosbaar Lange-keten vetzuren (16+ C-atomen) + cholesterol = wateronoplosbaar Al dan niet oplosbaar zijn in water = bepalend voor vetvertering en manier waarop vetten zullen geabsorbeerd worden door de epitheelcellen van de dunne darm 17 In maagslijmvlies vooral bij zuigelingen maaglipase gevormd Start vetvertering = MAAG beperkt tot geëmulgeerd vet met korte of intermediaire vetzuurketens DUNNE DARM start vetafbraak bij volwassenen door pancreaslipase aanwezige vetten stimuleren productie enterogastrine 12 VINGERIGE DARM enterogastrine remt maagsapafscheiding en maagbeweging =Weefselhormoon geproduceerd in het slijmvlies van de 12 vingerige darm Vetten met hoog percentage aan lange-keten vetzuren op indirecte manier sterker remmende werking op maagontleding dan vetten met hoog percentage aan korte-keten vetzuren Glycerol, korte- en mediumketen vetzuren + fosfolipiden rechtstreeks geabsorbeerd door darmwandcellen + via poortader getransporteerd naar lever Glycerol = oplosbaar in water zonder meer geabsorbeerd en in bloedbaan opgenomen Korte- en mediumketen vetzuren na absorptie in darmwandcellen gekoppeld aan albumine oplosbaarheid in water groter + direct opgenomen in bloedbaan Galzouten in lever geproduceerd + naar twaalfvingerige darm afgevoerd bezitten vermogen om ongeëmulgeerd vet te emulgeren Afbraak van wateronoplosbare vetten en vetachtige componenten in dunne darm start met MICELVORMING -treedt op door mengen van lipiden met galzouten -zorgt ervoor dat lipiden gemakkelijker toegankelijk wordt voor lipasen In micellen alle bestanddelen zo gerangschikt dat wateroplosbare moleculen of delen ervan zich aan de buitenzijde bevinden micellen in hun geheel wateroplosbaar + veel kleiner dan de oorspronkelijke vetbolletjes uit de voeding Pancreaslipase splitst geëmulgeerde vetten in 1) Diglyceriden 2) Monoglyceriden 3) Vetzuren 4) Glycerol Monoglyceriden + vetzuren vormen met galzouten micellen absorptie in darmwandcellen gemakkelijker Galzouten geabsorbeerd + getransporteerd naar lever opnieuw gebruikt voor emulgeren van vetten + klein deel verwijderd met faeces Lange-keten vetzuren + cholesterol = onoplosbaar in water ondergaan modificaties voor ze in het bloed getransporteerd worden Transport wateronoplosbare componenten in bloed mogelijk onder de vorm van LIPOPROTEÏNEN =lipiden omgeven door een wateroplosbare laag gevormd door fosfolipiden en proteïnen 18 In darmwandcellen hersynthese van lange-keten vetzuren en monoglyceriden tot triglyceriden verenigen triglyceriden met cholesterol, fosfolipiden en eiwitten = CHYLOMICRONEN geabsorbeerd in lymfevatenstelsel + in bloedbaan ter hoogte van de hals (passeren niet via lever) Via bloed chylomicronen getransporteerd naar weefsel en organen die vetten en vetachtige stoffen verder werken Triglyceriden aanwezig in chylomicron door lipoproteïnelipase (aanwezig op wand bloedvaten) gesplitst in vetzuren en glycerol Overblijvende chylomicronrest bevat cholesterol en eiwit getransporteerd naar lever voor verdere afbraak Lipiden ook gesynthetiseerd in lever uit overmaat proteïne, koolhydraat en alcohol opgenomen door voeding =NIEUWGEVORMDE LIPIDEN -uit lever getransporteerd naar verschillende weefsel d.m.v lipoproteïnen Triglyceriden ingepakt in very low density lipoproteïnen (VLDL) -bevatten cholesterol dat: 1)gesynthetiseerd werd in lever (endogeen cholesterol) 2) afkomstig van chylomicronrest (exogeen cholesterol) -transporteren triglyceriden naar weefsels Ter hoogte van weefsels afsplitsen van vetzuren door lipoproteïnelipase overblijvend lipoproteïne = intermediate density lipoproteïne (IDL) 2/3 naar de lever en rest omgezet naar low density lipoproteïne (LDL) -door LDL-receptor opgenomen in weefselcellen Cellen nemen cholesterol op die ze nodig hebben overmaat cholesterol terecht in bloedbaan + afgevoerd met high density lipoproteïnen (HDL) Eten van veel verzadigd vet stumulatie aanmaak LDL LDL opstapelen in bloed door 1) te weinig receptoren 2) receptoren werken niet goed 3) teveel LDL aanwezig Cholesterol aanwezig in LDL’s = aanleiding tot hart- en bloedvatenziekten LDL-cholesterol = slechte cholesterol HDL gesynthetiseerd in lever + spijsverteringskanaal uit onverzadigde vetzuren pikken overtollige cholesterol op uit de cellen en het bloed terug naar lever of weefsel die cholesterol gebruiken Hoe meer HDL’s hoe beter overtollige cholesterol moet kunnen afgevoerd worden 19 HDL-cholesterol = goede cholesterol (reductie van hartkwalen) Tijdens transport van triglyceriden ingepakt in lipoproteïnen samenstelling wijzigt van lipoproteïne. Als verhouding triglyceriden/eiwitten groot is transportpartikels groot + lage dichtheid -Chylomicronen bevatten veel triglyceriden grootste lipoproteïnen maar lagere dichtheid dan HDL -HDL’s = kleinste lipoproteïnen hoogste dichtheid 3.2. Het cellulair lipidenmetabolisme Korte – keten + medium-keten vetzuren in lever gebruikt als 1)energiebron 2) synthese van lange-keten vetzuren Lange-keten vetzuren in spieren en lever gebruikt als energiebron Lipoproteïnen door sommige weefsels gebruikt voor energie deel naar vetdepots lichaamsvetten gevormd Meer energie opgenomen dan lichaam nodig heeft energie gestockeerd in vetweefsel (triglyceriden) Te veel vet opnemen met voeding rechtstreeks naar vetdepot getransporteerd Overmaat koolhydraten en eiwitten in lever omgezet naar acetylCoA startmateriaal voor vetzuursynthese Lichaamsvet omgezet naar vetzuren via bloedbaan getransporteerd naar weefsels die energie nodig hebben. Triglyceriden in lichaamscellen afgebroken triglyceriden uit vetweefsel worden vrijgesteld Triglyceriden in vetdepots door hormoongevoelig lipase gesplitst in glycerol en vetzuren via bloedbaan getransporteerd naar weefsel opgenomen door weefselcellen + geoxideerd ATP gevormd. Afbraak + synthese vetzuren 2 verschillende celcompartimenten Afbraak -mitochondriën Synthese -cytosol 3.2.1. Vetzuuroxidatie = β-oxidatie Oxidatie van vetten meer energie (9kcal/g) dan oxidatie van koolhydraten of eiwitten(4kcal/g) Bij vertebraten helft van energiebehoefte lever, nieren, hart en skeletspieren in rust geleverd door oxidatie van vetzuren 20 Hydrolyse van triglyceriden glycerol en vetzuren -leveren in energiebehoevende weefselcellen energie -Vetzuren gebruikt voor synthese van fosfolipiden of energie-opslag GLYCEROL -met ATP gefosforyleerd tot glycerol-3-P -Glycerol-3-P geoxideerd tot dihydroxyaceton-fosfaat -Glycolyse binnen via glyceraldehyde-3-fosfaat VETZUREN -migreren naar mitochondriën geoxideerd -hoofdzakelijk in mitochondriën van lever, hart en skeletspieren -via herhaaldelijk doorlopen reactiesequentie = VETZUUROXIDATIE of β-OXIDATIE Verschillende stappen 1) Activatie van het vetzuur door binding met CoA -Vereist: 1 ATP -Produceert: AMP + pyrofosfaatmolecule 2) Dehydrogenatiereactie -vorming dubbele binding tussen - en β-C-atoom -Verwijderde H-atomen opgenomen door FAD FADH2 -FADH2 in ademhalingsketen geoxideerd levert 2 ATP 3) Water toegevoegd ter vorming van hydroxylfunctie op β-Catoom 4) Oxidatie alcoholfunctie op β-C-atoom -vorming NADH + H+ -Oxidatie NADH + H+ in ademhalingsketen energie opleveren 3 ATP 5) Binding tussen - en β-C-atoom verbroken door thiolase -levert 1 acetylCoA-molecule + nieuw vetzuur gebonden aan coënzyme A (acylCoA) Opnieuw vetzuuroxidatie doorlopen vertrekkend ter hoogte van de stap waar er geoxideerd wordt met FAD Hoeveel ATP’s worden er geproduceerd door volledige oxidatie van 1 mol palmitinezuur? Palmitinezuur = C15H31COOH In elke vetzuurcyclus eenheid met 2 C-atomen verwijderd volledige oxidatie palmitinezuur 7 keer cyclus doorlopen (7de keer 2 mol acetylCoA gevormd) 7 mol FADH2 + 7 mol NADH gevormd op hun beurt elektronentransportketen binnen (35 mol ATP gevormd) AcetylCoA-moleculen ontstaan tijdens oxidatie geoxideerd in citroenzuurcyclus Totaal aantal gevormde ATP’s = 131 ATP 21 -2 ATP-equivalenten nodig voor activatie vetzuur totaal aantal beschikbare ATP’s = 129 -Bij activatie AMP en PPi vrijgesteld -pyrofosfaat door pyrofosfatase omgezet tot 2 fosfaatgroepen energie vrij Algemeen: Bij activatie van vetzuur 2fosfaatbindingen van 2 ATP-moleculen afgesplitst 3.2.2. De metabolische rol van acetylCoA AcetylCoA = centrale rol in metabolisme van voedingscomponenten in de cel Naast binnentreden in citroenzuurcyclus ook gebruikt voor de biosynthese van voor de cel noodzakelijke componenten Overmaat acetylCoA gebruikt voor synthese ketonlichamen 3.2.3. Ketonlichamen Overmaat acetylCoA ontstaat door beperkt glucosemetabolisme + sterk verhoogde vetzuurafbraak door lever en nieren omgevormd tot aceto-azijnzuur, aceton en βhydroxyboterzuur =KETONLICHAMEN energiebron -Aceto-acetaat en β-hydroxybutyraat diffunderen naar bloedbaan en getransporteerd naar andere weefsels omgezet naar acetylCoA Ketonlichamen circuleren in lage concentraties in het bloed + gebruikt door skelet- en hartspieren ter vorming van ATP Elke verstoring normale metabolisme die beperking of afname glucosemetabolisme veroorzaakt snelheid vetmetabolisme productie ketonlichamen Als concentratie ketonlichamen in bloed hoeveelheid die verwerkt wordt door weefsels overschrijdt Ketonlichamen in bloed accumuleren + toestand = KETOSIS veroorzaken 2 ketonlichamen = zuren tijdens ketosis daalt bloedpH Ontstaan ACIDOSIS + zuurstofbinding aan hemoglibine + ketonen in urine geëxcreteerd worden Bij diabetespatiënten bloedglucose niet door cellen geabsorbeerd maar geëxcreteerd in urine om in zijn energiebehoefte te kunnen voorzien onbehandelde diabeticus grote hoeveelheden vet metaboliseren grote productie ketonlichamen Aceton aangetroffen in uitgeademde lucht persoon + acetoazijnzuur en β-hydroxyboterzuur in hoge concentraties aangetroffen in bloed en urine Ernstige vormen van acidosis veroorzaken dehydratatie, depressie van het centrale zenuwstels, coma en dood 22 3.2.4. Vetzuursynthese Synthese van vetzuren vindt plaats in de cytosol Algemene reactievergelijking voor vorming van palmitinezuur CH3COCoA + 7 –OOCCH2COSCoA + 14 NADPH + 14 H+ malonylCoA CH3(CH2)14COO- + 7 CO2 + 8 CoA + 14 NADP+ + 6 H2O Palmitinezuur Vergelijken vetzuurkatabolisme en vetzuuranabolisme volgende verschillen Elektronendragers bij katabolisme = FAD en NAD+ Elektronendrager anabolisme = NADP+ malonylCoA = uitgangsproduct bij anabolisme + lomt niet voor bij katabolisme Deze verschillen tonen aan dat vetzuurafbraak en vetzuursynthese uitgevoerd worden door andere enzymes, beide processen vinden bovendoen plaats in andere celcompartimenten acetylCoA = startmolecule voor vetzuursynthese gevormd bij β-oxidatie van vetzuren pyruvaatdehydrogenase In mitochondriën + uit pyruvaat door het Vetzuursynthese in cytosol acetylCoA getransporteerd naar cytosol (onder de vorm van citroenzuur) In Cytosol acetylCoA opnieuw vrijgesteld met de vorming van oxaalazijnzuur Synthese van vetzuur uit acetylCoA via 8 enzymgekatalyseerde reacties -omzetting acetylCoA naar malonylCoA gekatalyseerd door acetylCoA-carboxylase -overige reactie gekatalyseerd door multienzymcomplex = VETZUURSYNTHASE Zorgt voor additie van monomeren die bestaan uit 2 C-atomen aan de groeiende vetzuurketen Elk monomeer is voorzien van acylcarrierproteïne (ACP) Zorgt voor transport van intermediairen vd vetzuursynthese vh ene enzym naar het andere enzym in het multienzymcomplex 23 Aantal grote stappen onderscheiden bij vetzuursynthese 1. Condensatiereactie met de vorming van aceto-acetyl-ACP + ACP + CO2 Treedt op als acetyl-ACP en malonyl-ACP gebonden zijn op het Multienzymcomplex 2. Reductie ketonfunctie naar hydroxylfunctie In aanwezigheid van NADPH 3. Dehydratatie 4. Reductie in aanwezigheid van NADPH Vorming van butyryl-ACP Na 1cyclus butyryl-ACP gevormd condenseert opnieuw met malonyl-ACP cyclus herhaalt zich tot vetzuur gevormd is (Synthese palmitinezuur cyclus 6 keer herhalen) 3.2.5. Lipogenese Koolhydraten, vetten en eiwitten (supplementair aan energiebehoeften geconsumeerd) omgezet tot vetzuren Opgestapeld als triglyceriden in de vetcellen van vetweefsel onder de huid een rond organen. =LIPOGENESE Stapelingsvet Verschillende functies -energiereserve -steun en schokdemper voor organen -warmte-isolator voor lichaam Glycogeenreserves in de lever en spieren zorgen voor enkele uren energie Lipiden in het vetweefsel = dynamisch evenwicht met lipiden in het bloed Opgestapelde vetzuren worden steeds uitgewisseld voedingsvetzuren Precieze samenstelling stapelingsvet is afhankelijk van het dieet met 3.3. Het Cholesterolmetabolisme Grootste deel cholesterol niet uit voeding maar in lichaam opgebouwd Lever + andere weefsels produceren cholesterol + cholesterolderivaten afhankelijk van de behoefte Cholesterol opgenomen met voeding 50% geabsorbeerd rest uitgescheiden met faeces Toevoer cholesterol door voeding + eigen synthese > hoeveelheid cholesterol in lichaam 24 Verhoogd serumcholesterolgehalte = risico voor ontstaan van atherosclerose In vetafzetting zieke slagaderwanden zijn hoge cholesterolconcentraties aanwezig. Cholesterol in lever gesynthetiseerd kan 1) 2) 3) 4) 5) Gesecreteerd worden in bloed component van de lipoproteïnen HDL en VLDL Gestockeerd worden in druppels cholesterolesters Gebruikt als bouwsteen celmembraan In lever omgezet galzouten In gonaden en bijnieren omgezet Cholesterol kan niet afgebroken worden (triglyceriden wel) deel cholesterol via lever verwijderd met galvloeistof terecht in 12vingerige darm opnieuw geabsorbeerd ander deel gesecreteerd met faeces Cholesterol omgezet naar steroïde moleculen (galzuren en steroïdhormonen) 3.3.1. Synthese van cholesterol Steroïden = tetracyclische koolwaterstoffen verschillen onderling van elkaar in verzadigingsgraad van de 4de ring en substituenten die op deze ringen voorkomen. Cholesterol = belangrijkste vertegenwoordiger steroïdenfamilie precursor van 2 andere klassen van steroïden Steroïdhormonen -sleutelrol in regulatie metabolisme Galzuren -afbraakproduct van cholesterol geproduceerd in lever -gestockeerd in de galblaas -gesecreteerd in dunne darm voor emulgeren van lipiden gesynthetiseerd in de lever vertrek 3 moleculen acetylCoA via condensatie- en reductiereactie omgezet tot intermediair mevolonaat mevalonaat omgezet tot squaleen ondergaat cyclisatiereactie vorming lanosterol in zoogdiercellen via 2 verschillende pathways omgezet naar cholesterol vereist 30 enzymatische omzettingsreacties. 3.3.2. Metabolisme van galzouten Omzetting cholesterol naar galzuren = Belangrijke afbraakweg voor cholesterol Volwassene 0,5g cholesterol per dag omgezet naar galzuren 25 Verschillende stappen omzettingsreacties = 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) Hydroxylatie van cholesterol Invoeren van hydroxylgroep op de sterolmolecule Oxidatie van hydroxylgroep op C3 Isomerisatie van de dubbele binding Hydroxylatie van C12 Reductie van de dubbele binding vorming enkelvoudige binding Reductie van de ketonfunctie vorming hydroxylfunctie Via enkele hydroxylaties en oxidaties cholinezuur bekomen Galzuren vervolgens omgezet naar galzouten 3.3.3. Metabolisme van steroïdhormonen Synthese van steroïdhormonen uit cholesterol = 2de belangrijk omzettingsmechanisme van cholesterol cholesterol verwijderd uit het lichaam Initiële reactie = omzetting van cholesterol naar progesteron deels in mitochondriën en deels in cytosol van steroïdproducerende weefsels. Progesteron hormoon functie + treedt op als precursor van andere hormonen Aldosteron in handhaven van zoutbalans Cortisol ontstekingsreacties Testosteron + oestradiol ontwikkeling van secundaire geslachtskenmerken Geen pathway gekend waarbij steroïde ringstructuur afgebroken wordt tot azijnzuur C-atomen ringstructuur kunnen niet gebruikt worden voor energiegeneratie In lever reacties plaats om steroïdhormonen te inactiveren geïnactiveerde steroïdhormonen binden op glucuronzuur of sulfaat bekomen moleculen gesecreteerd in urine 4. Eiwitmetabolisme 4.1. Inleiding Eiwitten opgebouwd uit aminozuren bevatten element N en sommige S noodzakelijk voor groei, hestel van oude cellen en vorming van nieuwe lichaamscellen en weefsels nodig voor sucnthese van bloed- en levereiwitten in de lever synthese van enzymen synthese van niet-eiwitmoleculen (neurotransmitters, haemgroepen, nucleïnezuren en hormonen) Belangrijke bouwstenen Grootste hoeveelheid eiwit vereist in periodes van snelle groei periodes van intensief herstel 26 Onvoldoende energie geleverd via koolhydraat- en lipidenmetabolisme eiwitten gebruikt als energiebron Voor mens plantaardige en dierlijke eiwitten = enige stikstofbron Planten, dieren en mensen niet in staat N2 uit lucht te benutten Nitrificerende bacteriën N2 uit lucht omzetten naar anorganische stikstofbronnen door plant opgenomen voor synthese van plantaardige eiwitten 4.2. Vertering en absorptie van eiwitten MOND geen eiwitvertering MAAG voedsel prikkelt maagwand endocriene klieren geactiveerd secreteren gastrine = klieren met interne secretie afscheidingsproducten door bloed of weefselvloeistof opgenomen Gastrine stimuleert deze in de maagwand pariëtale cellen gaan HCl secreteren en de hoofdcellen stellen pepsinogeen vrij exocriene klieren = klieren met een externe secretie afscheidingsproducten in omgeving of orgaan vrijgesteld secretie van zoutzuur verzuring van de maag gastrinesecretie stopt, bacteriën afgedood, eiwitten denatureren + pepsinogeen omgezet naar pepsine. -Samen met HCl gesecreteerd door verschillende celtypes Pepsinogeen pas geactiveerd op het ogenblik dat het in de maaglumen terechtkomt voorkomen dat pepsine maagwand afbreekt -Activatie pepsinogeen = autocatalytisch proces eenmaal klein deel pepsinogeen geactiveerd door zuur maagwand rest geactiveerd door reeds aanwezige pepsine Gebeurt door afsplitsen van stukje van 42 AZ Pepsine = proteïne dat geen denaturatie ondergaat in zure milieu (lage pH is gewenst voor optimale werking van het enzym) = endopeptidase enzym dat peptidebindingen in peptideketen gaat breken 27 Verbreekt bindingen ter hoogte van de aromatische aminozuren tyrosine, fenylalanine en tryptofaan polypeptide omgezet naar kleinere peptideketens (oligopeptiden) DARMWAND geprikkeld door zure spijsbrij zorgt voor secretie van secretine door endocriene klieren van het darmslijmvlies Secretine zet pancreas aan tot produceren pancreassap -Bevat natriumbicarbonaat zuur in darmlumen geneutraliseerd -Bevat precursoren van verschillende peptidasen (trypsinogeen, chymotrypsinogeen, proaminopeptidase en pro-carboxypeptidase -Pancreasenzymen geactiveerd via watervalsysteem. spijsbrij veel onverteerde vetten en eiwitten secretie cholecystokinine stimuleert pancreas en galblaas exocriene klieren darmslijmvlies secreteren enzym enterokinase en enzymprecursor pro-aminopeptidase DARMLUMEN eiwitafbraak in 3 stappen 1) Endopeptidasen, trypsine en chymotrypsine gaan polyopeptide splitten in oligopeptiden 2) Exopepitdasen , carboxypeptidase en aminopeptidase gaan peptidebindingen aan het uiteinde van de AZketen breken oligopeptiden omgezet tot mengsel van tri- en dipeptiden en aminozuren geabsorbeerd in mucosacellen dunne darm 3) Ter hoogte van de borstelzoom darmproteasen (dipeptidasen) brekne de dipeptiden en tripeptiden af tot aminozuren opgenomen in bloedbaan en via hepatische portaalader naar lever gevoerd Aminozuren geabsorbeerd in de mucosacellen via actief transport Verschillende aminozuren door eenzelfde actieftransportsysteem opgenomen in de cellen Zekere vorm van competitie tussen de AZ Normaal dieet komt niet voor dat bepaald aminozuur in grote overmaat aanwezig is waardoor andere AZ niet kunnen worden geabsorbeerd Wel optreden indien je aminozuursupplementen opneemt 28 4.3. Aminozuurmetabolisme 4.3.1. Inleiding Proteïnen door proteasen en peptidasen afgebroken tot aminozuren getransporteerd naar lever In lever selectie tussen essentiële en niet-essentiële aminozuren gebruikt voor de synthese van lichaamseiwitten gebruikt voor synthese van leveren bloedeiwitten gekataboliseerd via transaminatie en deaminatie Elk aminozuur afgebroken via specifieke pathway intermediairen van andere metabolische pathways gevormd Aminozuren die gekataboliseerd worden afkomstig van voeding, lichaamseiwitten en metabole turnover van endogene eiwitten = EIWITTURNOVER= aminozuren afkomstig van eiwitbevattende structuren worden gerecycleerd voor synthese van andere eiwitten of eiwitderivaten waarvan de precursoren aminozuren zijn Geen stapelingsvormen van aminozuren in het lichaam Lichaam onderhoudt een continu wijzigende pool van aminozuren aangezien weefseleiwit voortdurend wordt afgebroken en aangemaakt Turnover aminozuren in lever en bloed = relatief hoog helft vervangen binnen 6 dagen Turnover in spieren en steunweefsel = veel lager helft in spieren vervangen om de 180 dagen helft in collageen van steunweefsel om de 1000 dagen. Ons lichaam synthetiseert dagelijks 300g eiwit 100g gevormd uit Aminozuren afkomstig van voeding 200g gevormd uit aminozuren die gerecycleerd worden van de eiwitafbraak in het lichaam Opname eiwit en energie met voedsel = voldoende aminozuren in aminozuurpool gebruikt voor synthese van lichaamseiwitten en niet–eiwit componenten = onvoldoende aminozuren gebruikt voor energiegeneratie Energie pas gegenereerd als de aminogroep van het aminozuur verwijderd is door OXIDATIEVE DEAMINATIE -Aminogroep treedt ureumcyclus binnen ammoniak onder de vorm 29 van ureum geëxcreteerd in urine -Overblijvende deel aminozuur (koolstofskelet) treedt citroenzuurcyclus binnen cellulaire energie leveren of omgezet in lichaamsvet Mogelijk vet te vormen door te veel eiwitten te eten Gezonde volwassenen stikstofbalans in evenwicht (excreteren evenveel stikstof als zij opnemen via de voeding) Snel groeiende jonge kinderen vertonen positieve stikstofbalans (excreteren minder stikstof dan ze opnemen hebben aminozuren nodig om nieuwe weefsels te synthetiseren) Negatieve stikstofbalans komt voor bij vasten, ondervoeding, koorts aminozuren gebruikt om in energiebehoeften cel te voorzien 4.3.2. Aminozuurkatabolisme Eerste stap = DEAMINATIE verwijderen van aminogroep -via transaminatie of oxidatieve deaminatie Overblijvend koolstofskelet via koolhydraatstofwisseling citroenzuurcyclus ingevoerd levert energie (ATP), CO2 en H2O of vetstofwisseling in Voortdurend opbouw en afbraak van lichaamseiwitten -Bij afbraak eiwitten in cellen aminozuren vrij die in het bloed terechtkomen en in lever weer gebruikt kunnen worden (idem als aminozuren die via poortader uit darm worden aangevoerd) Lichaam heel zuinig met stikstof aminozuren niet nodig gedeamineerd en doen dienst als energiebron 4.3.2.1. Transaminatie TRANSAMINATIE = belangrijkste manier waarop aminogroepen verwijderd worden van aminozuren -aminogroep wordt van een aminozuur getransfereerd naar een alfa-ketozuur nieuw aminozuur gesynthetiseerd Transfer aminogroep door enzym aminotransferase -ketozuur = -ketoglutaarzuur of oxaloacetaat + transfer van aminogroep leidt tot vorming van glutamaat of aspartaat en een -ketozuur 4.3.2.2. Oxidatieve deaminatie Glutaminezuur omgezet in lever tot ammoniak, koolstofdioxide, water en energie 30 OXIDATIEVE DEAMINATIE = proces waarbij de aminogroep van glutaminezuur verwijderd wordt onder de vorm van ammoniak en -ketoglutaarzuur opnieuw vrijgesteld. -Vindt plaats in mitochondria -Reversiebele reactie ATP en GTP inhiberen enzym glutamaatdehydrogenase ADP en GDP zorgen voor allosterische activatie Weinig energie beschikbaar aminozuren gedeamineerd om -ketoglutaarzuur te vormen in krebscyclus opgenomen en zorgt voor energiegeneratie Gevormde -ketozuren op verschillende manieren gebruikt (afhankelijk van het aminozuur dat gekataboliseerd wordt omgezet tot) ACETYLCoA gebruikt voor energieproductie onmiddellijk geoideerd in citroenzuurcyclus of omgezet tot ketonlichamen -Aminozuren waarvan koolstofskelet kan worden omgezet tot acetylCoA/acetoacetylCoA = potentiële bron van ketonlichamen = KETOGENE aminozuren (lucine en lysine PYRUVAAT INTERMEDIAIR VAN DE CITROENZUURCYCLUS Aminozuren waarvan C-skelet omgezet kan worden tot pyrodruivenzuuir of intermediair van citroenzuurcyclus = GLUCOGENE aminozuren potentiële bron van glucose Pyrodruivenzuur of energiegeneratie intermediairen van citroenzuurcyclus ook gebruikt voor Naast energiegeneratie of synthese van glucose aminozuren ook omgezet naar andere aminozuren via transaminatie of via acetylCoA omgezet in vetten Vrijgesteld ammonium = toxisch moet verwijderd worden uit lichaam in lever grijpt ureumcyclus plaats ammonium omgezet tot ureum in urine geëxcreteerd 4.3.2.3. Ureumcyclus Ammoniak gevormd tijdens oxidatieve deaminatie = toxisch voor vellen (conc 5mg/100ml bloed = toxisch voor mens) Ammoniak via 3 verschillende wegen verwijderd worden 1) Gebruikt worden door aminatiereacties om ketozuren terug aminozuren te maken of voor de bereiding van amiden uit aminocarbonzuren 2) In de nieren ammoniak met aanwezige zuren ammoniumzouten vormen via urine verwijderd 31 3) In de lever afbraak van overtollige aminozuren ammoniak omgezet tot ureum = niet toxisch = UREUMCYCLUS of Krebs-ornithinecyclus Ammoniak ureumcyclus binnen als carbamoylfosfaat reageert met aminozuur ornithine Per cyclus 2mol NH3 en 1mol CO2 omgezet tot 1 mol ureum + ornithinemolecule geregenereerd om nieuwe cyclus te statren Globale reactievergelijking van ureumcyclus NH4+ + HCO3- + 3ATP + aspartaat ureum + fumaraat + 2ADP + AMP + PPi + 2Pi + 5H+ Algemene reactie = resultaat van 5 deelreacties (2 in mitochondriën, 3 in cytosol van levercellen) Carbamolyfosfaat in mitochondriën van de cel gevormd uit HCO3-, H2O ATP en NH4+ HCO3- + NH4+ + 2ATP + H2O H2NCOOPO3+2- + 2ADP + Pi + 3H+ Carbamoylfosfaat Synthese van ureum vereist input van 1 C-atoom en 2 aminogroepen -C-atoom = afkomstig van HCO3-Aminogroepen afkomstig van 2 aminozuren 1 aminogroep afkomstig van asparginezuur omgezet naar fumaarzuur Andere aminogroep vrijgesteld bij deaminatie van ander aminozuur (glutamaat) Ureumcyclus = katabolische pathway levert geen bruikbare energie endergonisch vereist energie -2ATP verbruikt bij synthese van carbamoylfosfaat -1mol verbruikt bij vorming van argininosuccinaat -1mol verbruikt om pyrofosfaat te hydrolyseren tot anorgansich fosfaat Energie vereist voor ureumsynthese = equivalent met hydrolyse van 4 energierijke verbindingen ureumcyclus verbruikt 4mol ATP Deel energie (3mol ATP) terug gewonnen omdat fumaarzuur in de Krebscyclus kan geoxideerd worden Ontstaan 1 mol NADH tijdens terminale oxidatie 3mol ATP Citroenzuurcyclus + ureumcyclus met elkaar verbonden via fumaarzuur -opgenomen in mitochondriën -omgezet naar malaat en vervolgens naar oxaloacetaat -gebruikt voor energiegeneratie -omgezet naar glucose of aspartaat -gebruikt voor ureumsynthese 32 Ureum kan op een veilige wijze doorheen lichaam getransporteerd worden + door nieren verwijderd in de urine. Eender welke conditie waarin eliminatie van ureum door nieren verhinderd wordt leidt tot UREMIE = ophoping van ureum en andere stikstofbevattende afvalstoffen in het bloed fataal 4.3.2.4. Glucose-alaninecyclus Glucose-analinecyclus = manier waarop toxisch ammoniak gevormd in de spiercel omgezet wordt naar een niet-toxische vorm (alanine) voor transport naar de lever Onder anaërobe omstandigheden alanine gesynthetiseerd door transaminatiereactie tussen glutaminezuur en pyrodruivezuur Alanine getransporteerd naar lever pyrodruivezuur geregenereerd + bij lage bloedsuikerspiegel via gluconeogenese glucose gevormd (in lever) glucose getransporteerd naar spieren energiegeneratie in glycolyse In spiercellen transaminatie uiteindelijk doel = spier voorzien van energie 4.3.3. Anabolisme is gekoppeld aan het katabolisme Energie (ATP) rechtstreeks en via terminale oxidatie vrijgesteld bij oxidatie van glucose gebruikt om ammoniak om te zetten tot ureum Vrijgesteld tijden aminozuurkatabolisme 4.3.4. Aminozuren als precursoren Aminozuren = bouwstenen van proteïnen + precursoren van aantal biomoleculen -Glycine : Bouwsteen van haemgroep ringstructuur haemgroep samengesteld door atomen afkomstig van glycine en azijnzuur -Tyrosine: gebruikt voor productie van epinephrine en melanine -hormoon -donkergekleurde -speelt rol bij substantie Glycogeen-zorgt voor metabolisme huidpigmentatie en Vetzuur mobilisatie -Histamine: gevormd uit histidine bloedvatverwijderende functie + component ook vrijgesteld bij ontstekingsreacties en allergische reacties -Tryptofaan: gebruikt voor synthese van neurotransmitter serotonine en coënzymes NAD+ en NADP+ -Serine: omgezet tot ethanolamine aangetroffen in lipiden -Cysteïne: gebruikt voor synthese van galzouten 33 4.3.5. Synthese van aminozuren Aminozuren gesynthetiseerd uit eenvoudige precursormoleculen op hun beurt intermediairen van koolhydraat- of vetmetabolisme Sommige aminozuren gevormd uit andere aminozuren Biosynthesepathways voor essentiële aminozuren enkel bij planten en micro-organismen meer tussenstappen vereist dan voor synthese van niet-essentiële aminozuren 5. Verband tussen koolhydraat-, vet-, en eiwitmetabolisme 3 afbraakprocessen nauw in verband met elkaar onderlinge relaties te illustreren beschrijven we de verschillende metabolische processen die optreden bij volgen van vermageringsdieet (water, zwarte koffie en vitaminepreparaat) Persoon 8dagen dieet gevolgd viel bewusteloos + acetongeur in uitgeademde lucht, positieve urine voor aceton en niet voor glucose (pH5,5) bloedglucosespiegel = 60mg/100ml Oorzaak metabolische crisis? Normale omstandigheden weefsel van persoon met gewicht van 70kg bevatten volgende energiereservers 80kcal glucose in bloed 280kcal leverglycogeen 480kcal spierglycogeen 14000kcal stapelingsvet 24000kcal spiereiwitten Deze lichaamsreserves energiebron voor vastend individu Korte periode lichaam metabolische balans in evenwicht houden gebruik maken circulerend glucose Wanneer bloedglucose onderste drempel bereikt secretie insuline dalen en glucagon stijgen glycogenolyse gestimuleerd glucose vrijgesteld uit glycogeenreserves in lever en spieren Wanneer glycogeenreserves uitgeput raken lichaam andere bronnen voor energie en bloedglucose aanboren lichaam start met afbraak van vetten en daarna van spier- en weefseleiwit aminozuren in deze weefsel ontstaan zullen in lever gedeamineerd worden + gebruikt voor synthese van glucose, productie ATP en andere componenten (noodzakelijk voor citroenzuurcyclus) Grote hoeveelheid ammoniak door deaminatie geproduceerd onder de vorm van ammoniumionen in urine geëxcreteerd worden (eerder dan ureum) Door afbraak van al dit eiwit en excretie van hun stikstof als ammoniak negatieve stikstofbalans in lichaam Onvoldoende glucose beschikbaar lichaam gebruikt vetzuren om weefsels van energie te voorzien Resulteert in hoog niveau van vetzuuroxidatie citroenzuurcyclus niet in staat grote hoeveelheid geproduceerd acetylCoA te verwerken levercellen zetten overmaat acetylCoA om in ketonlichamen 2 Ketonlichamen (acetylazijnzuur en β-hydroxyboterzuur) = zuren door grote toename van deze ketonlichamen buffercapaciteit lichaam overschreden ontstaan acidose 34 Na enkele dagen vasten productie ketonlichamen zo hoog via urine geëxcreteerd Vasten = grote belasting voor lever en nieren 35 Het Intermediair of cellulair metabolisme 1. Inleiding 2. Koolhydraatmetabolisme 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. Vertering en absorptie van koolhydraten Regulatie van de bloedsuikerspiegel Glycogenese en glycogenolyse Het cellulair koolhydraatmetabolisme 2.4.1. Oxidatie (= verbranding) van glucose 2.4.1.1. 2.4.1.2. De glycolyse (Embden-Meyerhof pathway) De Krebscyclus of citroenzuurcyclus 2.4.1.2.1. De vorming van actiefacetaat (acetylCoA) 2.4.1.2.2. Vorming van citroenzuur en oxidatie tot CO2 2.4.1.3. De terminale oxidatie 2.4.1.3.1. Inleiding 2.4.1.3.2. Oxidatie in stappen 2.4.1.4. 2.4.2. Gluconeogenese (glucose anabolisme) 2.4.2.1. 2.4.2.2. 3. Cori-cyclus Glucose-alaninecyclus Lipidenmetabolisme 3.1. 3.2. Vertering en absorptie van vetten Het cellulair lipidenmetabolisme 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.2.4. 3.2.5. 3.3. Vetzuuroxidatie = β-oxidatie De metabolische rol van acetylCoA Ketonlichamen Vetzuursynthese Lipogenese Het Cholesterolmetabolisme 3.3.1. 3.3.2. 3.3.3. 4. Samenvatting totale oxidatie van glucose Synthese van cholesterol Metabolisme van galzouten Metabolisme van steroïdhormonen Eiwitmetabolisme 4.1. 4.2. 4.3. Inleiding Vertering en absorptie van eiwitten Aminozuurmetabolisme 4.3.1. Inleiding 36 4.3.2. Aminozuurkatabolisme 4.3.2.1. 4.3.2.2. 4.3.2.3. 4.3.2.4. Transaminatie Oxidatieve deaminatie Ureumcyclus Glucose-alaninecyclus 4.3.3. Anabolisme is gekoppeld aan het katabolisme 4.3.4. Aminozuren als precursoren 4.3.5. Synthese van aminozuren 5. Verband tussen koolhydraat-, vet-, en eiwitmetabolisme 37
