Open bestand

 www.VETserieus.nl Beste Student, De documenten op VETserieus.nl zijn alleen bedoeld als ondersteuning bij het studeren. De samenvattingen worden nagekeken door studenten tijdens het volgen van de lessen en waar nodig aangepast. Dit project heeft als doel foutloze samenvattingen te bieden die met hun tijd meegaan, ondanks dit streven is er altijd een kans dat er fouten in de documenten staan. Mocht je tijdens het lezen van de samenvatting fouten vinden kun je dat doorgeven via de contactpagina op de site of direct een mail sturen naar [email protected] De student is verantwoordelijk voor zijn of haar leermethode en voor het uiteindelijke resultaat. Allemaal veel succes met de voorbereidingen!! Hartelijke groet, VETserieus.nl Samenvatting CM COLLEGE 1 De 20 aminozuren die als bouwstof voor eiwitten dienen zijn allemaal L‐2‐aminozuren waarbij de zijketen voor allemaal verschillend is: de binding tussen aminozuren heten peptidebindingen: Alanine is een aminozuur met een CH3 als zijketen. De L2 duidt erop dat alleen de L‐optische isomeren in ons lichaam voorkomen waarbij C2 asymmetrisch is. Alleen de strcutuur van Glycine is symmetrsich en van de rest kennen we dus een D en een L‐vorm. Aminozuren kunnen overzichtelijk ingedeeld worden bij neutrale ph:” Positief geladen zijketens Negatief geladen zijketens Polair karakter deze hebben bij een neutrale pH geen lading maar wel een polair karakter. Het betreft hier de aminozuren met een N‐H; O‐H of S‐H binding. N, O en S trekken de elektronen sterk naar zich toe van waterstof af. De bovenstaande groepen hebben allemaal hydrofiele zijketens en zijn dus oplosbaar in water. Aminozuren met hydrofobe of apolaire zijketens kunnen dit niet en zullen in een eiwit dus meestal naar binnen steken. GABA heeft bijvoorbeeld ook een aminogroep en een carboxylgroep maar is geen aminozuur omdat deze twee groepen niet beiden aan C2 zijn gebonden. Aminozuren kunnen geclassificeerd worden op zuur of basisch, hycrofoob/hydrofiel en daarmee polair of niet‐polair. Hydrofobe aminozuren zijn per definitie niet polair, hydrofiele aminozuren zijn polair. Over het algemeen kun je wel stellen dat NH2 en OH groepen polaire groepen zijn. Een eiwit wordt in een bepaalde configuratie opgevouwen, deze opvouwing wordt bepaald door allerlei niet covalente bindingen zoals waterstofbruggen, ionische bindingen en van der waalsverbindingen. Daarnaast is de hydrofobiteit een rol die speelt bij de opvouwing van eiwitten, daar de hydrofobe delen vaak naar binnen keren. Elk eiwit kent één vrom van opvouwing die natuurlijk gebeurd: natieve structuur. Deze structuur is de vorm van opvouwing met de minste vrije energie en wordt alleen veranderd bij interacties met andere moleculen. De conformatieveranderingen zijn cruciaal voor de functie van het eiwit. Prion eiwitten zijn gevaarlijk omdat deze juist gevouwen eiwitten in de verkeerde conformatie keren. Ondanks dat eiwitten zelf in de juiste conformatie kunnen komen is het vaak zo dat moleculaire chaperonen helpen bij de conformatie. De uiteindelijke 3d strcutuur wordt desalniettemin toch bepaald door de aminozuurvolgorde. Het is nog niet mogelijk om puur uit de aminozuurvolgorde eiwit conformatie te herleiden wel zijn er twee vormingen van vouwen van aminozuren die vaak voorkomen en die af te leiden zijn uit de aminozuurvolgorde. Alpha helixen en beta sheets. Deze worden gevormd uit de waterstofbindingen in eiwitten tussen de NH en CO groepen. De aminozuurzijketens zijn niet betrokken bij de vorming van deze zijketens, en kunnen dus gevormd worden uit een tal van aminozuren. Een helix kan rechtshandig zijn of linkshandig afhankelijk van welke kant de structuur op draait. Delen van een eiwt met alpha helixen komen voornamelijk voor in celmembranen voor transport en receptoren. Een coiled ciol ontstaat als twee helixen om elkaar heen draaien en een zeer stabiele structuur vormen. Dit gebeurdt wanneer de helixen hun niet‐polaire delen aan één kant draaien, deze draaien naar binnen en de hydrofiele delen blijven buiten. Betasheets worden gevormd wanneer er waterstofbindingen worden gevormd tussen sgementen van de polypeptide. Hier heb je parallele en niet‐parallele varianten afhankelijk of de strengen naast elkaar in dezelfde of tegengestelde richting gaan. Eiwitten kun je in primaire (aminozuurvolgorde), secundaire (alpha en beta), tertiare strcutuur (conformatie). Losstaand van bovengenoemde is het eiwit domein, wat een deel van het eiwit si wat afzonderlijk in een bepaalde conformatie kan zitten. De verschillende domeinen waaruit een eiwit bestaat is vaak geassocieerd met verschillende functies. Ondanks de vele mogelijkheden tot conformaties zijn er beperkte conformaties, de rest is niet nuttig en zijn dus ook uitgeselecteerd. Eiwitten kunnen ook op basis van families ingedeeld worden, waarbij delen van de aminozuurvolgorde gelijk zijn. Er zijn dus herhalende stukjes die in meerdere eiwitten voorkomen. Wel hebben ze verschillende functies. Op dezelfde wijze waarop eiwitten conformaties kunnen aangaan kunnen ook eiwitten onderling met elkaar binden waardoor grotere structuren ontstaan. Elk stuk wat kan binden heet een bindingsplaats. Proteïne kunnen heel verschillende vormen hebben en op die manier dus ook compleet verschillende functies. Enzymen hebben bijvoorbeeld een globulaire vorm, een ronde vorm. Andere eiwitten hebben echter een uitgerekte vorm, vezeleiwitten. de helische tunnel is bijvoorbeeld voor transport handig. Om de stabiele structuur van eiwtten te behouden worden ze vaak geholpen door sulfiede bindingen (S‐S). Deze bindingen worden gebruikt om bij trasnport de eiwitten stabiel in conformatie te houden maar veranderen de conformatie zelf niet. In het cytosol worden deze bindingen over het algemeen niet gevormd omdat daar deze bindingen direct weer worden afgebroken. Dit is echter neit echt nodig door de milde omgeving van het cytosol. Alle eiwitten binden uiteindelijk aan andere eiwitten, sommige sterke en sommige zwakke bindingen maar altijd met grote specificiteit. Een stof dat aan een eiwit gebonden wordt heet een ligand. Één enkele binding is altijd zwak, daarom zijn meerdere bindingen vereist om een goede binding te vormen. Alle eiwitten moeten aan hun specifieke liganden binden om hun functie uit te oefenen. De best ontwikkelde hiervan zijn de anitlichamen, wwaarbij ons lichaam de mogelijkheid heeft tot het maken van een antilichaam voor ekle mogelijk bedenkbare stof. De aminozuurvolgorde en lengte kan hiermee in tal van variaties veranderen zonder de basis structuur Y‐vorm van het antilichaam te veranderen. Antilichamen zijn gebonden op B‐lymfocyten en wanneer deze binding aan een lichaamsvreemd eiwit kunnen ze ook meer van hetzelfde soort antilichaam maken. Dit is de basis voor vaccinaties. Antilichamen kunnen ook gebruikt worden om moleculen te zuiveren. 1. Immunoaffiniteits kolomchromatografie: hierbij heb je een buis vol antigenen,a lle moleculen kaan gewoon door de buis heen, behalve de moleculen die aan de antilichamen binden. Na een zogeheten wah kun je deze moleculen weer uit de buis vrijmaken. 2. Immunoprecipitatie: je gooit de antilichamen in een bak met moleculen. Na centrifugatie kun je de aan het antilichaam gebonden molecuul onderscheiden. 3. Microscopische detectie: gelabelde moleculen binden aan een antilichaam waardoor het antilichaam zichtbaar wordt onder de microscoop 4. Biochemische detectie: elektroforese wordt gebruikt om antigenen te scheiden van andere moleculen. Incubatie met de antilichamen labelen het antilichaam waardoor de positie duidelijk wordt. Ook als je eiwitten wilt bestuderen zul je ze moeten isoleren van de omgeving. Eerst zal je dus de cellen en de omgeving op gecontroleerde wijze kapot maken, waarbij met name het plasma membraan kapot gemaakt wordt: hge frequentie geluiden; detergent die gaten in het membraan maakt; door kleine ruimte persen; door een rotator in buisje te doen. Het soepje met moleculen wat je dan over houdt kun je scheiden zodat je alleen nog maar het eiwit hebt. Dit kan je op twee manieren doen: 1. Kolom chromotografie: eiwitten worden door een stof gepompt. Omdat elk eiwit verschilt in reactie met die stof zullen ze in verschillende snelheden door de stof heen komen. In verschillende buisjes op tijd kun je dan de verschillende eiwitten opvangen. Ze kunnen gescheiden worden op basis van hydrofobitiet, lading, grootte of de mogelijkheid tot andere stoffen binden. 2. Elektroforese: hierbij plaats je de eiwitmix op een gelplaat waar de eiwitten doorheen trekken. De snelheid hiervan wordt bepaald door de lading en de grootte van het eiwit. Op de gelplaat krijgt elk eiwit een andere positie en is precies te zien waar elk eiwit zich bevindt. Voor sommige eiwitten is binding de basis functie, andere eiwtten, enzymen, gebruiken dit echter als klein stapje in de functie. Deze versnellen andere reacties zonder dat hun eigen conformatie veranderd wordt. Ze werken vaak in teams, waarbij het product van de een het substraat voor de ander is. Ze verlagen de energie die nodig is om een reactie te laten plaatsvinden, veel van de reacties door enzymen zullen anders slechts bij zeer hoge temperaturen dus niet in het lichaam plaatsvinden. De bindingsplaats van het enzym vouwt het substraat ook zodanis dat de reacties het beste kunnen verlopen. Enzymen bevatten ook vaak cofactoren: kleine moleculen die in de buurt van het actieve centrum gebonden zijn en noodzakelijk voor de functie van het enzym. Deze cofactoren kunnen kleine metalen zijn of kleine organische moleculen (coenzymen, vaak afgeleiden van vitamines). Een enzym zonder cofactor wordt een apoenzym genoemd en na koppeling van een cofactor heet het een holo enzym. Wanneer de coenzymen stevig gebonden zijn aan het enzym heet het ook wel de prosthetische groep. de meeste enzymen bevatten echter een metaalion gebonden bij het actieve centrum, welke deelneemt aan de reactie. COLLEGE 2 Niet levende dingen zullen zonder energieinput streven naar een hogere mate van wanorde entropie (S). Levende cellen echter genereren wel orde op elk niveau. Dit si mogelijk doordat cellen energie van de omgeving kunnen verkrijgen en deze opslaan in energie opgeslagen in chemische bindingen. De tendens van dingen om te streven naar een grotere staat van wanorde/ entropie is de tweede wet van thermodynamica welke zegt dat in een geisoleerde ruimte de entropie alleen maar kan toenemen. De hoeveelheid entropie in een systeem kan gekwantificeerd worden, Nu lijkt het dat cellen dus niet aan deze regel voldoen, dit is echter niet correcy. Cellen gebruiken energie om orde te creeëren. Warmte is de meest ongeordende vorm van energie. Cellen laten energie vrijkomen in de vorm van warmte, waardoor de orde in cellen gecompenseerd wordt door vergroting van entropie in de omgeving. De eerste wet van thermodynamica stelt dat energie omgezet kan worden van de ene vorm in de andere, maar dat het niet gecreeërd kan worden en ook niet kan verdwijnen. De omzetting van energie in de cel naar warmte is noodzakelijk omdat alleen dan voldaan kan worden aan de 2e wet van thermodynamica. Planten gebruiken zonlicht als energie om de chemische verbindingen aan te maken (anders dan organische moleculen) en kunnen dus van inorganische materialen leven. Fotosynthese wordt gedaan met als input water, CO2 en zonlicht en omgezet naar suikers, O2 en warmteenergie. Om de energie in de bindingen vrij te maken is geleidelijke oxidatie nodig. Oxidatie slaat in dit geval niet alleen op de additie van zuurstof maar ook o de overdracht van elektronen. Oxidatie is dan het verwijderen van alektronen, reductie is het toevoegen van elektronen en gebeurd dus altijd tegelijk. De termen zijn al bruikbaar ook als er een gedeeltelijke shift van elektronen is bij bijvoorbeeld een covalente binding. Het oppikken van een elektron gaat vaak gepaard met het oppikken van een proton. Daarom worden reducties ook wel hydrogenaties en oxidaties dehydrogenaties genoemd. Enzymen worden gebruikt om deze in kleine stappen uit te voeren. C atomen in een C‐O verbinding zijn dus geoxideerd (de o trekt harder aan de elektronen) en in een CH binding gereduceerd. Warmte die uitgestraald wordt wordt ook wel vrije energie genoemd. Reacties zullen alleen plaatsvinden als de hoeveelheid vrije energie groter wordt (en dus de entropie). Deze reacties worden dan energetisch favoriet genoemd. wanneer je een reactie wilt laten verlopen die naar een kleinere hoeveelheid vrije energie gaat heb je energie input nodig. Dit heet de activatie energie, wat in levende wezens vaak gebracht wortd door enzymen. Enzymen houden in dit geval het substraat zodanig dat de activatie energie sterk verlaagd wordt, wanneer dit gebeurd heet het enzym ook wel een katalysator. Zonder enzymen zou het leven niet mogelijk zijn. Enzymen kunnen niet een energetsich infavoriete reactie spontaan laten verlopen, in plaats daarvan koppelen ze een favoriete reactie (negatieve delta G) aan een niet favoriete reactie (positieve delta G). De delta G hangt niet alleen af van de hoeveelheid vrije energie die vrijkomt maar ook van de concentratie van de stoffen. De formule om de delta G te berekenen hangt dus af van de standaard delta G (ΔG°) van de reactanten en de concentraties van X en Y. De standaard delta G is gelijk aan de gevonden delta G wanneer de concentraties van X en Y precies gelijk zijn. ΔG = ΔG° + 0,616 ln (X/Y). Het getal 0,616 is een constante welke afhangt van de gasconstante en temperatuur (37C) Een chemisch equilibrium vindt plaats wanneer de reactie heen en terug precies gelijk aan elkaar zijn (staat dus niet stil!!!) K wordt hierbij aangeduidt met het equilibrium constante welke afhangt van de concnetraties. K = X/Y. Wanneer twee reactanten samen een eindproduct vormen blijven deze regels hetzlefde, alleen is K dan afhankelijk van X, Y én XY. Omdat K direct van invloed is op de reactie wordt het ook wel als een maat gezien voor de bindingssterkte van de reactanten. Het equilibrium wordt ook groter zodra de bindingsenergie groter wordt en dus het verschil in vrije energie groter wordt. De totale formule wordt hiermee dus ΔG = ΔG° + 0,616 ln K. Voor opeenvolgende reacties is de totale som van de vrije energie van de afzonderlijke reacties optelbaar. Hiermee is koppeling van verschillende reacties mogelijk en een positieve delta G koppelen aan een grotere negatieve delta G zal de reactie toch laten verlopen ongeacht dat ed tussenstap energetisch infavoriet is. Hier zijn enzymen voor nodig. In de cel wordt ook constant gebruik gemaakt van dit principe waarbij een positieve delta G aan een negatieve gekoppeld wordt. Activated carrier moleculen helpen hierbij doordat ze energie opslaan in een uitwisselbare vorm (chemische groep of elektronen), NADH, ATP en NADPH zijn hier belangrijke voorbeelden van. Enzymen zorgen ervoor dat een groot deel van de vrije energie in plaats van als warmte vrij te komen opgeslagen wordt in een nuttige vorm, in dit geval in carrier moleculen. De belangrijkste carrier is ATP waarbij een rijke fosfaatbinding is. Waar nodig kan ATP deze energierijke verbinding opgeven door koppeling aan een andere reactie (fosforylatie). Andere belangrijke carrier moleculen zijn FADH2, NADH, NADHP en acetylCoA. Wanneer deze moleculen een H bevatten worden ze ook wel hydride ionen getermd. NADPH wordt veel gebruikt bij anabolische reacties, terwijl NADH juist gebruikt wordt bij catabolische reacties waarbij uiteindelijk ATP gegenereerd wordt. Hierdoor is de ratio van NADH (NAD+ oxiderende agent voor caatbolische reacties) laag terwijl de NADPH (oxiderende agent voor anabolische reacties) hoog is. Acetyl CoA, bevat een acetylgroep: NADH‐NAD+, bevat elektronen en waterstofatomen. ATP bevat een fosfaatgroep FADH2 elektronen en waterstofatomen De cel bevat een groot aantal macromoleculen, welke gevormd worden uit monomeren, door middel van een condensatiereactie (afsplitsing water). Afbreken van polymeren geschiedt dus ook door de additie van water. Hydrolyse is energetisch favoriet, consensatie kost energie. Hiervoor wordt hydrolyse van ATP gebruikt om de energie te leveren. COLLEGE 3 Er zijn veel meer enzymen dan basisreacties in de cel, dit komt omdat een enzym hoog specifiek is. Voor één reactie kunnen meerdere enzymen nodig zijn, omdat de restgroepen die deelnemen aan de reactie verschillend zijn. Enzymen worden geklassificeerd op basis van het reactietype dat ze katalyseren. Elk enzym krijgt zo 4 cijfers achter de naam. Om te illustreren hoe enzymen reacties katalyseren wordt het voorbeeld van lysozym gebruikt. De reactie gekatalyseerd door dit enzym betreft een hydrolyse reactie, de additie van een water molecuul aan een binding tussen twee suikers waardoor de binding gebroken wordt. Lysosym zorgt ervoor dat de moleculen in een zodanige positie transitie staat komen dat de activatie energie sterk verlaagd wordt (normaal in water gebeurd er niets) en de reactie mogelijk wordt. Enzymen vinden hun substraten doordat de moleculen door warmte energie in constante beweging zijn. Ze bewegen dus door de cel, diffusie. diffusie werk echter alleen voor hele kleine afstanden, omdat de tijd die nodig is om afstanden af te leggen met het kwadraat omhoog gaat per eenheid in afstand. Voor grotere afstanden is energie nodig. Dat het binnen in een cel heel druk is maakt niet uit. Enzymen en macromoleculen bewegen daarentegen heel langzaam, zitten bijna stil. De snelheid van een enzymfunctie hangt dus af van het substraat, de concentratie, en niet het enzym zelf. Vmax is de maat voor hoe snel een enzym werkt. Dit is dus het moment dat alle enzymen in de cel bezet zijn en de snelheid waarmee gereageerd wordt zodat er een nieuw enzym gebonden kan worden is Vmax. Zoals net gesteld is de concentratie van een substraat ook belangrijk voor de snelheid omdat deze bepaald in hoeverre er bindingen plaatsvinden. Km is de maat voor de substraatconcentratie waarbij de maximale snelheid Vmax de helft is. Dus ½ Vmax  Km. Een lage Km waarde indiceert dat de substraatbinding vrij sterk is (er is minder concentratie nodig om het enzym halve snelheid te laten werken,d it door langere binding). Het is belangrijk je te realiseren dat wanneer een enzym de activatie energie van XY verlaagd, deze ook YX bevordert met precies dezelfde hoeveelheid. De voorwaartse en terugwaartse reacties tussen deze stoffen zullen dus evenredig beïnvloedt worden door het enzym en om die reden dus ook ΔG° van een reactie onveranderd laten. NB: enzymen veroorzaken geen reacties maar versnellen ze, dit kan echter zo hoog zijn dat het lijkt dat enzymen reacties veroorzaken. Wanneer er lage concnetraties van substraat zijn is de snelheid van het enzym nagenoeg evenredig met de concentratie. Wanneer deze hoger wordt is dit echter niet meer zo, er zit een bepaald maximum aan. Verder zagen Michaelis en Menten een simpel model in de enzym kinetiek. Hierbij stelden ze dat een enzym en een substraat een ES complex vormt. Dit complex kan weer een product vormen en een vrij enzym: Hieruit wordt aangenomen dat een product niet terugreageert tot het substraat. Als aan deze voorwaarde wordt voldaan is met de volgende formule de enzymsnelheid te bepalen: Deze formule is ook simpel in een grafiek uit te zetten: De michaelis‐constante (Km) duidt in dit geval op die substraatconcentratie waarbij de snelheid van het enzym op de helft van het maximum is. De Km is dus een maat voor de affiniteit van een enzym voor zijn substraat, waarbij een hoge Km een lage affiniteit betekent. Zoals je uit bovenstaande grafiek kunt zien betreft het hier een hyperbool die lastig nauwkeurig te tekenen is. Een rechte lijn kan van deze grafiek gemaakt worden door aan beide kanten het omgekeerde, reciprook, te nemen. Deze grafiek die je dan krijgt heet de lineweaver‐burkplot. Enzymen kunnen geremd of geactiveerd worden door moleculen. Remmers verlagen de enzymactiviteit of stoppen deze zelfs helemaal, activatoren stimuleren de activiteit (vaak producten van metabolisme en dus belangrijk in het lichaam). De remming van enzymen kan zowel reversibel als irreversibel zijn, waarbij bij irreversibele remming het enzym voorgoed onwerkzaam is. Wat betreft de reversibele remmingen kennen we twee varianten: competitief en niet‐competitief. Bij competitief gaat de remmer op de plaats van het substraat zitten waardoor het substraat niet meer kan binden en dus de werking van enzym verloren gaat. Het verlaagt dus de reactiesnelhied omdat minder enzymen beschikbaar zijn voor binding. Wanneer men een overmaat aan substraat teodient kan deze vorm van remming teniet gedaan worden, de kans verhoogd namelijk dat er toch substraat bindt. Bij niet‐competitieve remming bindt de inhibitor zowel het kale enzym als het substraat‐enzym complex. De maximale reactiesnelheid wordt daardoor verlaagd, maar het toevoegen van een overmaat aan substraat kan dit niet verhelpen. Dit komt omdat als het substraat gebonden wordt deze ook in de inactieve vorm EIS (enxym‐inhibitor‐substraat) gebonden kan zijn. Eveneens veranderd deze vorm van remming ook niet de affiniteit van het enzym voor zijn substraat en blijkft Km gelijk. Veel eiwitten hebben voor hun functie een covalent gobonden groep nodig die niet uit aminozuren bestaat (zo is dat heam bij hemaglobine). Deze groep wordt dan de prosthetische groep genoemd welke ook enzymen nodug kunnen hebben, zoals FAD bij redoxenzymen. Vele van deze groepen zijn afgeleiden van vitaminen. De enzymen kunnen ook stoffen nodig hebben die niet zozeer aan het enzym gebonden zijn maar vrij in de cel voorkomen, voor enzymen zijn dit coenzymen, waarvan NAD+ een goed voorbeeld is. Cofactoren zijn de metaalionen die enzymen nodig hebben voor hun functie. Deze cofactoren en coenzymen zijn belangrijk bij de regulatie van enzymfunctie omdat deze de enzymsnelheid en functie mede bepalen. Zeer belangrijk is metabolisme. De regulatie van enzymen gebeurd ook op verschillende niveaus: 1. Hoeveelheid enzymen. 2. Enzymen op bepaalde locaties plaats laten nemen 3. Enzymactiviteit bepalen door hoeveelheden substraat en product. (feedback inhibition). Naast inhibitie is het ook mogelijk om juist de activiteit te stimuleren. Vaak zijn meerdere stoffen uit meerdere metabole paden van invloed op het enzym. COLLEGE 4 Niet alle enzymatische reacties kunnen met behulp van het michaelis‐menten model verklaard worden. Een belangrijke groep met afwijkende kinetiek is die van de allostere enzymen. In plaats van een hyperbole curve levert deze groep een sigmoïdale (S‐vorm) curve op. Allostere enzymen bevatten een aantal kenmerkende eigenschappen. Ze hebben meerdere bindingsplaatsen waarbij de binding op één plek de vorm van de andere bindingsplaats veranderd. Deze conformatieverandeirng zou de binding van substraat op de andere plek kunnen vergemakkelijken. We kunnen ons dit enzym voorstellen in twee vormen, de tense (T) en de relaxed (R) vorm, waarbij de binding van een substraat in de R vorm makkelijker is dan in de T vorm. Binding van een substraat op één plaats kan het gehele enzym van de T naar de R vorm veranderen waardoor de substraatbinding voor een ander enzym vergemakkelijkt. Eveneens kan de activiteit van het enzym veranderd worden door bindingen van andere stoffen op andere plaatsen in het enzym dan de bindingsplaats en zo de affinitiet beinvloeden. Je kunt dus allostere remmers en allostere acitvators krijgen. Remmer = Tvorm; activator = Rvorm. Deze stoffen worden effectoren genoemd. links is activator, rechts is inhibitor. Met name in het matabolisme, waarbij regulatie heel belangrijk is, zien we voornamelijke allosterische enzymen. Een andere manier van conformatieveranderingen bij eiwitten op gang brengen is door middel van fosforylering of defosforylering. Omdat elke fosfaatgroep twee negatieve ladingen bevat kan dit een enorme conformatieverandeirng als gevolg hebben, door de toetrekking van positief naar negatief. Ook deze vorm van controle van enzymen komt veel in ons lichaam voor. Kinase is het eiwit die de binding van een fosfaatgroep bevordert, fosfatase zorgt juist voor afsplitsen van de fosfaatgroep. De staat waarin een eiwit verkeerd hangt dus af van de hoeveelheden kinase en fosfatase. Bij binding van een fosfaatgroep vernaderd de conformatie, maar bij afsplitsing keert deze weer terug in de oude staat. De circulatie waarmee de fosforylering en defosforylering plaatsvindt gebeurd hele snel om zo adequaat op prikkels te kunnen reageren. De energie die nodig is komt van ATP en het eiwit inactief maken kost dus energie. GTP dient als andere brandstof die leidt tot conformatievernaderingen door fosforylering. GTP bindt vaak op eiwitten belangrijk bij de signaal en communicatie in een cel. Waarbij dus aanbinding van een fosfaatgroep ook het eiwit inactief maakt. Het al dan niet binden van GTP wordt ook gereguleerd door communicatieprocessen. Conformatieveranderingen zorgen echter ook voor andere belangrijke dingen in de cel. Zo kunnen deze ervoor zorgen dat motoreiwitten grote bewegingen kunnen aansturen en andere moleculen kunnen verplaatsen. Echter, hierbij is het wel belangrijk dat deze beweging gecoödrineerd wordt, anders zou de beweging in evenwicht geraken en dus evenveel vooruit als achteruit wat dan geen zin heeft. ATP biedt de energiebron om deze thermodynamische regel te omzeilen. Door de ATP binding kunnen de bewegingen gecontroleerd worden. Voorbeelden van motorproteïnen die zo werken zijn myosine (spiermotor eiwit) en kinesine (chormosoom beweging tijdens mitose). Deze manier van beweging kan ook in grotere eiwitcomplexen plaatsvinden waardoor de mogelijkheden zeer complex en uitgebreid worden. COLLEGE 5 De primaire functie van biologsiche membranen is het handhaven van een evenwicht aan weerszijden van het membraan. De lipide bilaag vormt de basis van de celmembraanstrcutuur. Elke lipide heeft een hydrofiele kop en een hydrofobe staart. Fosfolipiden vormen de meest voorkomende lipide in de celmembraan, waarvan fosfoatidylcholine daarvan weer het meest voorkomend is. Dit molecuul heeft aan de fosfaatgroep een choline molecuul gebonden, en twee hydrokoolstof ketens als staarten. De staarten komen origineel van vetzuren. Moleculen die een hydrofoobe n hydrofiel deel hebben worden amfipathisch genoemd. Andere delen in de cel zoals cholesterol zijn ook amfipathisch. Nu kunnen deze stoffen in een vlak gaan zitten waarbij het aantal connecties van hydrofobe delen met water beperkt wordt. Een lipide bilaag die we in celmembranen terug vinden is echter de ideale oplossing voor de twee delen van de fosofolipide waarbij een bol gevormd wordt. Deze manier van conformeren is energetsich favoriet en kost dus geen energie om te onderhouden. Wanneer er een scheur komt in deze laag is dit energetisch infavoriet en zullen alle moleculen weer in dezelfde bilaag terug conformeren, wat de minste energie kost. Daarom heeft het membraan een zelfherstellend vermogen. Ook als de scheur heel groot is herstelt het membraan zich waarbij mogelijk kleinere vesicles worden gevormd. Ondanks dat de membranen altijd in de conformatie zullen blijven (bolvorm, ze buigen niet) is het wel degelijk zo dat de onderlinge lipiden in het membraan bewegen. Dit gebeurd dan wel binnen een 2d vlak, overspringen tussen de twee lagen gebeurt zelden, flip‐flop. De lipiden roteren ook nog eens snel om hun eigen as en de staarten zijn er flexibel. Deze bewegingen houden de membraan vloeibaar, wanneer de temperatuur een daarmee de beweging daalt, daalt ook meteen de vloeibaarheid van het celmembraan. De vloeibaarheid van het membraan is uiterst belangrijk voor de functie en moet binnen bepaalde grenzen gehouden. Een andere factor die ook uitmaakt hoe vloeibaar het membraan is, is de compositie van de staarten. Hoe dichter deze op elkaar gepakt zijn hoe minder vloeibaar het membraan is. Hoe de staarten op elkaar geplakt worden is weer afhankelijk van twee dingen: de lengte en de verzadiging van een vetzuur. De lengte is van invloed omdat kortere ketens minder de tendens vormen om met elkaar te interacteren. Hierdoor wordt de vloeibaarheid van het membraan vergroot. Wat betreft de verzadiging is een onverzadigd vetzuur minder rijk aan protonen en betreft dus een dubbele binding. Deze dubbele binding is niet flexibel en veroorzaakt een knik in de staart. Dit maakt het lastiger om strak op elkaar te plakken en verhoogd dus de vloeibaarheid van het membraan. Bacteriecellen zijn vrij goed in de vloeibaarheid van de membranen constant te houden bij wisselende omstandigheden. Bij dierlijke cellen is cholesterol hier van invloed op. Zij vullen de ruimte op die tussen de fosfolipiden in het celmembraan ontstaan door onverzadigde vetzuren. Hierdoor wordt de vloeibaarheid van het membraan minder en het membraan dus versterkt. Membraanvloeibaarheid is echter zeer belangrijk voor de functie van het mebraan: 1. Het zorgt ervoor dat membraan eiwitten makkelijk doro het membraan kunnen diffuseren 2. Het maakt het mogelijk voor membranen samen te smelten. 3. Het zorgt ervoor dat membraan moleculen eerlijk verdeeld worden tussen dochter cellen. Celmembranen zijn over het algemeen assymmetrisch, waarbij de binnenkantmembraan van de cel (cytosollische zijde) er heel anders uit ziet dan de buitenkant. Dit komt door de enorme verschillen in glycolipiden en fosfolipiden gebruik. Tevens zijn de eiwitten die in het membraan vastzitten verschillend aan de binnen en buitenzijde. De assymetrie wordt al vastgesteld bij de formatie van de fosfolipiden door eiwitten gebonden aan de cytosollische zijde van het membraan van het ER. Deze gebruiken vetzuren als substraat voor de formatie van fosfolipiden en deze worden dan vervolgens in de cytosollische zijde van het mebraan vrijgelaten. Een deel van deze nieuwe gevormde fosfolipiden worden met behulp van flippase naar de andere zijde van het membraan overgebracht. Deze flippase kan selectief op bepaalde fosfolipiden reageren waardoor ook specifiek deze fosfolipiden in een van beide zijden worden geplaatst. Een ander mechanisme zorgt voor de overdracht van met name glycolipiden naar de extracellulaire zijde van het membraan. Het nieuwe membraan wat in het intracellulaire compartement van het ER gevormd wordt zal getransporteerd moeten worden naar andere mebranen om deze bij te werken. Dit gebeurd door middel van het vormen van vesicles welke vervolgens in een ander membraan gecorporeerd worden. Eiwitten spelen in het mebraan een belangrijke rol. Deze zijn vele groter dan lipiden. Deze eiwitten kunnen vastzitten aan het membraan op verschillende manieren. Ze kunnen door het membraan heen zitten (transmembraan), met een deel in de bilaag vastzitten (mebraan geassocieerd), aan een lipide van de bilaag vastzitten (lipide gelinkt) of aan een ander eiwt wat aan het membraan vastzit zitten (eiwit gebonden.) eiwitten die direct aan het membraan vastzitten kunnen alleen loskomen door het membraan aan te tasten en heten dan ook integrale membraan eiwitten. De rest is perifeer. COLLEGE 7 Stofwisseling en metabolisme duidt op de processen die cellen gebruiken om zichzelf in stand te houden (opbouw en reparatie) en energie uit voedselmoleculen halen. De belangrijkste energiebron voor cellen zijn de suikers. De hoge energiebindingen die in suikers zitten worden vrijgemaakt door oxidatieprocessen. De suikermoleculen worden afgebroken uiteindelijk tot CO2 en H2O samen met hoge energieverbindingen die opgeslagen worden in bijvoorbeeld ATP en NADPH. De oxidatie van suikers vind in een hoog gecontroleerde volgorde plaats waarbij gebruik gemaakt wordt van enzymen. De carrier moleculen zorgen ervoor dat energie tijdelijk opgeslagen of getransporteerd kan worden om vervolgens op de juiste locatie en het tijdstip gebruikt te worden. Dierlijke cellen maken ATP op twee manieren. In de eerste stap worden door enzym gekatalyseerde reacties direct gekoppeld aan de energetisch infavoriete reactie: ADP + P ‐> ATP. In een andere stap die plaats vind in de mitochondria wordt de energie van carrier moleculen gebruikt om ATP te vormen. Voedselmoleculen worden in 3 verschillende stadia afgebroken, katabolisme. Belangrijk bij voedselafbraak is dat de processen hierbij betrokken de voedselmoleculen afbreken maar niet de essentiële macromoleculen in onze cellen. 1. Extracellulair en cytosol: Om te voorkomen dat lichaamseigen macromoleculen worden afgebroken vind stap 1 plaats buiten de cel of in speciale lisosomen, waarbij het lisosoom membraan de enzymen scheidt van het cytosol van de cel. Verteringsenzymen breken de polymeren op in monomeren. Hierna komen deze delen binnen in het cytosol waar de oxidatie begint. (geen energie productie) 2. Cytosol en mitochondrium: Hier vinden een aantal opeenvolgende stappen plaats, glycolyse, waarbij elk glucose molecuul wordt omgezet in twee pyruvaat moleculen. Bij deze vorming worden twee carrier moleculen geproduceerd: ATP en NADH. Vervolgens wordt de pyruvaat naar het mitochondrion getransporteerd, waarbij CO2 en een twee‐
koolstof acetyl groep. Deze acetylgroep bindt vervolgens aan een coenzym (CoA) waardoor acetyl‐CoA wordt gevormd . (matige energie productie, ATP) 3. Mitochondrium: de acetylgroep van acetyl‐CoA is verbonden door een hoog energetische verbinding en daarom makkelijk transporteerbaar naar andere moleculen. De acetylgroep vervolgd een aantal reacties die samen de citroenzuurcyclus genoemd worden. De acetylgroep is uiteindelijk tot NADH en CO2 afgebroken. De NADH wordt uiteindelijk langs een elektrontransportketen gedaan (mitochondrium inner membraan) waarbij energie geproduceerd wordt in de vorm van ATP en O2 gebruikt wordt. Het proces waarbij ATP geproduceerd wordt in de elektrontransport keten heeft oxidatieve fosforylering. De gevormde ATP verlaat vervolgens het mitochondrium en gaat het cytosol in. (hoge energie productie). De helft van de energie die in theorie gevormd zou kunnen worden uit de afbraak van glucose of vetzuren wordt gebruikt om energetisch minder aantrekkelijke reacties te volstaan, ADP + P ‐> ATP. De rest wordt vrijgelaten als warmte. Dit lijkt weinig maar het rendement van een auto is selchts 20% en die van een cel dus 50%. Nu gaan we iets verder in op de afbraak van één soort molecuul, glucose in de glycolyse. Glucose pyruvaat Glycolyse in het cytosol produceert ATP zonder dat hier zuurstof bij nodig is. Tijdens de glycolyse wordt één glucose molecuul afgebroken tot 2 pyruvaat moleculen. Tijdens de glycolyse worden eerst 2 ATP gebruikt voor de eerste stappen, maar later worden er 4 geproduceerd. De nettowinst van glycolyse is dus 2 ATP. De glycolyse bestaat uit 10 verschillende stappen en alle enzymen die meedoen aan de glycolyse hebben een naam die eindigt op –ase. Ongeacht dat er geen zuurstof nodig is bij de glycolyse vindt er toch oxidatie plaats door afsplitsing van elektronen door NAD+ waarbij NADH gevormd wordt. (bekijk panel 13.1 op p. 432 Alberts) Oxidatie is een chemisch proces waarbij een stof (de reductor) elektronen afgeeft aan een andere stof (de oxidator) waarbij het oxidatiegetal van de reductor toeneemt. Vroeger definieerde men een oxidatie als een reactie met zuurstof. Voorbeelden zijn roesten en verbrandingsreacties. Het proces ontleent zijn naam dan ook aan het woord oxygenium, de Latijnse naam voor zuurstof. Zuurstof hoeft nochtans niet per se betrokken te zijn in een oxidatie. Een voorbeeld : Fe2+ → Fe3+ + e‐ Fe2+ is hier de reductor. Het staat één elektron af en wordt daarbij geoxideerd tot Fe3+. Met een oxidatie gaat altijd een reductie gepaard. De afgestane elektronen moeten immers opgenomen worden door een andere stof (de oxidator) , die dus gereduceerd wordt. Het geheel (oxidatie en reductie samen) noemt men een oxidatie‐reductiereactie of redoxreactie. De glycolyse is voor de meeste cellen slechts het begin van de volledige glucose afbraak. Pyruvaat wordt namelijk in de mitochondriën verder afgebroken tot acetyl‐CoA en in de Krebcyclus verder tot CO2 + H2O. Glycolyse is echter wel de belangrijkste bron van energie voor cellen zonder mitochondriën (rode bloedcellen) en tijdens gebrek aan zuurstof. Onder deze anaerobe omstandigheden blijven pyruvaat en NADH‐elektronen in het cytosol. Het pyruvaat wordt geconverteerd in stoffen die buiten de cel zullen treden zoals Lactaat en Ethanol. NADH wordt tijdens dit proces teruggevormd tot NAD+ wat noodzakelijk is de cyclus draaiende te houden (NAD+ is grondbenodigdheid voor glycolyse). Anaerobische energieproducerende reacties als deze heten fermentaties. De vorming van lactaat (dieren) of ethanol (gisten en bacteriën) is dus noodzakelijk om het beginproduct van de glycolyse (NAD+) te kunnen vormen uit NADH. Hieronder volgen alle 10 de stappen van de glycolyse. Stap 1, fosforylering van Glucose: Stap 2, isomerisatie: Stap 3, tweede fosforylering, belangrijkste snelheidsregulerende stap in de glycolyse. Stap 4: splitsing in twee 3 C‐atoom moleculen Stap 5: dihydroxyacetonfosfaat wordt geïsomeriseerd tot glyceraldehyde‐3‐P. Hierdoor kan ook dihydroxyacetonfosfaat verder in de glycolyse, zie vetzuur synthese en gluconeogenese voor verder vervolg van deze stap!!!! Stap 6: begin van energie productie, oxidatie van twee glyceraldehyde‐3‐P Stap 7: transfer van high energy P naar ADP ( fosfoglyceraatkinase Stap 8: andere fosfaat verplaatst naar C2. fosfoglyceraat mutase Stap 9: afsplitsing van water, vorming nieuwe high energy fosfaat binding! enolase Stap 10: vorming pyruvaat pyruvaat kinase Totale glycolyse: glucose ⇒ 2 pyruvaat + 2 NADH + 2 ATP Niet veel, maar glycolyse levert wel degelijk ATP (2) op, wat gebeurt in stap 6 en 7 van de glycolyse. Hoe dit gebeurt is in woorden lastig uit te leggen. Lees hiervoor p435, 436 en 437 door. In stadium 3 van Katabolisme wordt de meeste energie geleverd, bij zowel de afbraak van koolhydraat als van vetten. De krebcyclus speelt hier een belangrijke rol bij en zuurstof is noodzakelijk voor dit proces. Het speelt zich af in de mitochondriën. 1. De pyruvaat wordt snel afgebroken door een drietal enzymen, samen de pyruvaat dehydrogenase complex. De producten hiervan zijn: CO2, NADH en acetyl‐CoA. 2. Ook vetzuren worden op soortgelijke wijze afgebroken tot Acetyl‐CoA, samen met NADH en FADH2 productie. 3. De meeste energie die ontrokken wordt uit bovenstaande processen blijven opgeslagen in de Acetyl‐CoA verbinding en wordt pas afgebroken in de citroenzuur (Kreb) cyclus. COLLEGE 8 Rode bloedcellen en hersencellen zijn afhankelijk van glucose voor hun energie. Indien het leverglycogeen opraakt moet glucose ook geproduceerd kunnen worden. Het zou te verwachten zijn dat simpele omkering van de glycolyse hierin een oplossing biedt, dit is echter niet correct omdat er in de glycolyse 3 onomkeerbare reacties zijn (stap 1, 3 10). Vet kan niet worden omgezet in glucose. Ook worden overgebleven aminozuren uit de voeding nooit als eiwitten opgeslagen die vervolgens gebruikt kunnen worden voor glucose productie. Deze aminozuren worden opgeslagen als vet en glycogeen of directe ATP productie. Hersenen kunnen Ketonlichamen gebruiken om glucose van te produceren, rode bloedcellen kunnen dit door gebrek aan mitochondriën echter niet. Een proces, gluconeogenese, biedt uitkomst voor dit probleem. De grondstoffen voor gluconeogenese bestaan uit de eiwitten van spierweefsels. Deze eiwitten worden geconverteerd in alanine en glutamine welke vervolgens in het bloed vrijomen. Alanine wordt door de lever opgenomen voor gluconeogenese en glutamine wordt gebruikt als brandstof voor de dunne darm en door de nier gebruikt voor gluconeogenese. Gluconeogenese is het proces waarbij Glycerol, aminozuren en lactaat omgezet worden tot glucose. Het vind voornamelijk plaats in het cel cytosol en een klein gedeelte in de mitochondria. Sommige stappen van de glycolyse worden tijdens de gluconeogenese simpelweg omgedraaid. De 3 onomkeerbare stappen moeten worden omzeild tijdens de gluconeogenese. (bekijk figuur 5.19 LIM) Zoals uit bovenstaande blijkt zijn alleen de nier en de lever in staat tot gluconeogenese, omdat slechts deze organen de 4 juiste terugweg enzymen bevatten!!! a. Omdat de uit pyruvaat gevormd oxaalacetaat niet door de mitochondria membranen kunnen moet het worden omgezet in malaat. Biotine is hier een belangrijke cofactor voor. b. Decarboxylatie van oxaalacetaat gebeurd met behulp van PEP‐ carboxykinase. c. Hydrolyse van fructose 1,6‐bifosfaat omzeild de onomkeerbare PFK reactie van de glycolyse. Fructose 1,6‐bifosfatase. d. Hydrolyse van glucose‐6‐fosfaat omzeild de onomkeerbare hexokinase reactie van de glycolyse. (deze actie is uniek voor de lever omdat deze als enige het enzym glycose‐6‐
fosfatase bevat. e. Proprionaat wordt bij herkauwers als enzym voor gluconeogenese gebruikt! De regulatie van gluconeogenese vind plaats door twee vormen van controle. 1. Hormonale controle: De hoge levels tijdens vasten van glucagon, cortisol en adrenocorticotrophic hormone (ACTH) zorgen voor activering van gluconeogenese en remming van glycolyse. 2. Allosterische controle: Tijdens het vasten zijn er hoge levels van acetyl CoA, welke pyruvaat carbozylase activeren. Dit stimuleert weer de gluconeogenese, en remt de activiteit van pyruvaat dehydrogenase. Hierdoor zal de pyruvaat eerder de gluconeogenese dan verdere krebcyclus. Ook een verhoogde concentratie van alanine en glutamine zorgen voor een verhoogde activiteit in de gluconeogenese. Hoge concentratie cortisol zorgt voor losmaken van spiereiwitten. De afbraak (katabolisme) van glucose levert minder energie op (2 ATP) dan de aanmaak (anabolisme) door gluconeogenese kost (6 ATP). Het klinkt dus onlogisch dat gluconeogenese een zinvolle reactie is. Eveneens is er een probleem dat er voor de gluconeogenese kennelijk energie nodig is, maar deze kan niet uit de glycolyse komen (er is een glucose tekort en glycolyse is erg geremd). Dus omdat het energetisch niet handig is en door remmingen niet mogelijk wordt de energie voor gluconeogenese niet uit glucose gehaald maar uit glycogeen en vet (welke dan eerst naar glycogeen wordt omgezet). In planten is dit zetmeel. Vet heeft een veel grotere opslagcapaciteit dan glycogeen in de lever en fungeert dus als voornaamste energiebron voor gluconeogenese. Glycogeen is een snel mobiliseerbare vorm van glucose, een vertakt polymeer van glucose eenheden. Het wordt in de vorm van ganulae in het cytoplasmatische deel van de cel opgeslagen. De glucose eenheden zijn in een 1‐4 of 1‐6 verbinding gebonden. Er zijn voordelen aan deze manier van bindingen. Ten eerste zijn er meerdere uiteinden dus meerdere plaatsen waarbij de enzymen kunnen beginnen met de afbraak. De afbraak kan dus sneller gaan. Tevens is deze vorm van binding beter oplosbaar. Glycogeen wordt in 3 stappen gesynthetiseerd en vind plaats in het cytosol. Het proces heeft een aantal benodigdheden, 3 enzymen, glucose donor (UDP), een primer voor initiatie, energie. 1. Vorming van UDP glucose uit glucose‐1‐fosfaat en UTP (UDP‐glucose fosforylase). 2. Verlenging van de keten door UDP‐glucose. Hierbij verplaatst glycogeen synthase de glucosylgroep naar de C4 positie. Dit kan alleen gebeuren bij een bestaand glycogeen molecuul van ten minste 4 glucosen, synthese kan dus niet geinitieerd worden, hiervoor is een primer nodig (glycogeen fragment of glycogenine). 3. Introduceren van vetrakkingen vindt plaats door een enzym amylo(1,4‐
>1,6)transglycosylase. Dit proces kan beginnen bij een glycogeenlengte van 11 glucosen, waarbij meestal 7 glucosen verplaatst worden van het C4 uiteinde naar het C6 uiteinde. Het punt van een nieuwe vartakking moet ten minste 4 glucosen weg zijn van een oudere vertakking. De afbraak van glycogeen is iets simpeler, en vind dan ook in twee stappen plaatsn in het cytosol. 1. Verkorting van de glycogeen keten. Dit vind plaats met behulp van glycogen‐fosforylase welke ook nog PLP nodig heeft als cofactor. De 1‐4 verbindingen worden in volgorde afgesplitst in de vorm van glucose‐1‐fosfaat. De geproduceerde glucose‐1‐fosfaat kan omgezet worden naar glucose‐6‐fosfaat met behulp van fosfoglucomutase voor verder gebruik in de glycolyse of gluconeogenese. Dit proces stopt wanneer een vertakking bereikt is. 2. Het verwijderen van de vertakkingen vereist twee enzymen. Allereerst zet een transferase de vertakking van 3 glucose moleculen aan een andere vertakking, waarna vervolgens door middel van hydrolyse amino alpha 1,6 glucosidase de overige 4 glucose moleculen vrijmaakt. Samen maken deze enzymen de vertakkingen ongedaan waarna glycogen fosforylase de lineaire ontstane structuur verder kan afbreken tot er weer een vertakking tegenkomt. Dan begint het hele riedeltje opnieuw. Een klein deel van de glycogeen afbraak vindt plaats in lisosomen met behulp van alpha‐1,4‐glucosidase (maltase). Glycogeen opslag behoeft de voorkeur ten opzichte van glucose opslag door de oplosbaarheid en de snelle bereikbaarheid van glycogeen. Glycogeen is eveneens belangrijk voor de homeostase. Wanneer je glycogeen afbreekt en pyruvaat maakt win je hiermee 3 ATP, want de eerste stap van de glycolyse welke 1 ATP kost is al gedaan (glucose naar G‐6‐P). Het lijkt dus gunstiger dan simpele glucose afbraak welke netto 2 ATP oplevert. Dit is echter niet waar want de incorporatie van 1 glucose kost 2 ATP (in het schema UTP, welke gelijk is aan ATP). Je moet dus 2 ATP investeren en krijgt er 3 terug, de netto winst is dus 1 ATP. Bij normale glycolyse is dit 2 ATP dus deze is efficiënter dan glycogeen opslag. Toch gebeurt dit wanneer er teveel glucose is omdat anders de energie in z’n geheel als warmte vrijkomt en je er dus niks aan verdiend. COLLEGE 9 Naast ATP is er ook een andere vorm van energie nodig die door cellen wordt aangemaakt: reducerend vermogen (het vermogen an moleculen tot reductie reactie). Deze vorm van energie is nodig voor synthetische doeleinden. Omdat een deel van dele vrijkomende elektronen direct op zuurstof worden overgedragen om ATP te maken is dit proces niet handig. Deze elektronen worden in dit geval in plaats van op NAD+ op NADP+ overgedragen. Door de extra fosfaatgroep heeft NADPH een verschillende conformatie dan NADH en daarom kunnen ze alleen als verschillende substraten aan enzymen binden. Hierdoor kan NADPH uitsluiten mee werken aan anabolische reactie voor biosynthese en NADH juist aan catabolische reacties voor het maken van ATP in de ademhalingsekten. De vrije elektronen die bij NADPH worden gebruikt zijn dus ook niet afkomstig uit de ademhalingsketen (O2). Eén manier van NADPH vormen komen we tegen in college 13, de rest wordt echt in het pentose‐
fosfaat‐pad gevormd, of te wel PPP. Hier wordt ook glucose in het cytosol afgebroken maar op een andere manier dan in de glycolyse. De glucose gaat dus of de glycolyse of het PPP in. PPP: er wordt dus geen directe ATP gevormd maar wel reducerend vermogen in de vorm van NADPH. Het vindt plaats in voornamelijk de lever, melkklieren, vetweefsel, adrenal coretx en rode bloedcellen. Het vind plaats in het cel cytosol. De voornaamste fucnties van het PPP zijn: 1. Generatie van NADPH (nodig voor reductive biosynthese reacties, vetzurene n cholesterol) 2. Productie van ribose‐5‐fosfaat voor de biosynthese van nucleotiden, nucleïnezuren, purinen en pyrimidinen. (DNA en RNA) 3. In rode bloedvellen wordt NADPH gereduceerd om het antioxidante gereduceerde Glutathion te vormen welke een belangrijke rol speelt bij de bescherming van cellen tegen reactieve zuurstof intermediairen. Het PPP bestaat uit twee stadia: 1. Een irreversibele oxidatieve fase: hierin vinden 3 irreversibele reacties plaats waarbij ribulose‐5‐fosfaat, CO2, 2NADPH’s en 2H+ gevormd worden per glucose‐6‐fosfaat molecuul en twee NADP+. 2. Een reversibele niet oxidatieve fase: deze bestaat uit 5 reacties waarbij ribulose‐5‐fosfaat wordt omgezet naar ribose‐5‐fosfaat voor nucleotide synthese of naar intermediairen van de glycolyse voor alsnog deelname hieraan (glyceraldehyde‐3‐fosfaat/fructose‐6‐
fosfaat) NADHP is nodig voor de biosynthese van bijvoorbeeld vetzuren, de pentosen die gevormd worden (Ribose‐5‐fosfaat) zijn nodig voor de vorming van DNA, RNA, ATP en bepaalde coënzymen. Door de totaal verschillende functies van pentosen en NADPH zijn de behoeften hieraan in de regel ongelijk. De afstemming tussen het vormen van deze stoffen door het PPP is dan ook gereguleerd. De meeste controle vindt volgens verwachting plaats in de irreversibele stap, de oxidatieve fase. Hierbij wordt NADPH gevormd die gebruikt wordt voor onder andere vetzuursynthese. Als de hoeveelheid NADPH opgebruikt wordt door de synthese stijgt het aandeel NADP+ in de cel. Dit is een beginproduct en benodigd voor het PPP waardoor de PPP door hoge concentraties NADP+ wordt geactiveerd om meer NADPH te gaan vormen (activatie PPP lage NADPH: NADP+ ratio). Controle in de niet‐
oxidatieve fase vind voornamelijk plaats door het nodig zijn van de eindproducten waaronder ribose‐
5‐fosfaat en NADPH. Bedenk hierbij dat NADPH in fase 1 wordt gevormd en ribose‐5‐fosfaat in fase 2 dus bij behoefte aan beiden beide fasen worden doorlopen. Indien de behoefte aan NADPH groter is zal de ribulose‐5‐fosfaat omgezet worden in fructose‐6‐fosfaat of glyceraldehyde‐3‐fosfaat. Deze zal via een reversibele stap in de glycolyse terug gezet wroden naar glucose‐6‐fosfaat welke weer opnieuw het PPP in kan. Op deze manier wordt ook opnieuw NADPH gevormd. Bij een grotere behoefte aan ribose‐5‐fosfaat zal juist het omgekeerde gebeuren waarbij fructose‐6‐
fosfaat of glyceraldehyde‐3‐fosfaat omgezet zullen worden via de reversibele stap in ribose‐5‐fosfaat. (bekijk je metabole kaart of zelfstudie voor plaatje hiervan). Glucose kan tot een aantal functies dienen: glycolyse, opslag in de vorm van glycogeen en vet & het PPP in. De glycolyse heeft een tweeledige functie: productie van ATP en bouwstenen voor de synthese van andere stoffen. Om te voldoen aan deze functies wrodt ook de glycolyse gereguleerd door middel van de snelheid van afbraak van glucose. De regulering vindt voornamelijk plaats op de 3 irreversibele stappen van de glycolyse te weten stap 1, 3 en 10. Stap 1: Hexokinase: deze stap wordt gecontroleerd door product inhibitie, dat wil zeggen als er veel G‐6‐P aanwezig is wordt de functie van Hexokinase geremd. Door de hoge affiniteit voor glucose blijft de activiteit wel actief, ook bij lage niveaus van glucose. In de lever en alvleesklier is een ander enzym dan hexokinase aan het werk, te weten: glucokinase. Deze heeft een lagere affiniteit voor glucose en daardoor beter aangepast om met hoge concentraties van glucose om te gaan. Dit enzym speelt een belangrijke rol in voorkomen van hyperglycaemia, abnormaal hoge levels van glucose. De glucose die binnenkomt gaat dus ook eerst via de lever waarbij de te grote hoeveelheden worden afgebroken door glucokinase alvorens de rest van het lichaam te betreden waar hexokinase aan het werk is. Stap 3: controle op deze stap vindt plaats op 3 manieren. Slechts één hiervan hoeven we te kennen en is regulatie door middel van PFK‐1 (fosfofructokinase). Deze stap is het belanrgijkste bij de regulatie van de glycolyse omdat het de rate‐limiting stap katalyseert. Hiermee wordt bedoeld dat dit enzym werkt op de langzaamste stap van de glycolyse waar tevens energie voor nodig is. Daarom vindt hier makkelijk controle plaats. De regulatie vindt plaats door hoge ATP niveaus, H+ en citraat/vetzuur welke de functie van PFK‐1 inhiberen. Tevens verlagen hoge ATP niveaus de affiniteit voor het substraat ( F‐6‐P) . Citraat, geproduceerd door de citroenzuurcyclus, versterkt het inhibitievermogen van ATP. Hoge niveaus van citraat indiceren namelijk hoge niveaus van producten van de glycolyse (pyruvaat, acetyl‐CoA, oxaalacetaat) en verdere afbraak van glucose is niet nodig. Stimulatie vind plaats foor lage energie levels, veel ADP. Denk hierbij terug aan dat de remming van hexokinase plaatsvindt door hoge niveaus van G‐6‐P. G‐6‐p is in evenwicht met F‐6‐P welke weer het substraat is voor PFK‐!. Remming van hexokinase geeft dus lagere niveaus van G‐6‐P en daarmee F‐6‐P, remming van hexokinase is dus remming van PFK‐1. Andersom ook, remming PFK‐1 = remming HK. Stap 10: de laatste stap van de glycolyse wordt gereguleerd door pyruvaat kinase en gecontroleerd door zowel hormonale als allosterische regulatie. Op dit moment is alleen de allosterische regulatie van belang. Pyruvaat kinase kan zowel geactiveerd als geremd worden. 1. remming: hoge niveaus van ATP die gevormd worden tijdens stap 10 en hoge niveaus van alanine en acetyl‐CoA remmen de werking van het enzym. 2. Activatie vindt plaats door middel van hoge niveaus aan F‐1,6‐bis‐P. Dit is feed‐forward omdat hiermee de snelheid door voorproducten wordt verhoogd en niet achteraf pas aangepast. Er zijn afwijkingen gevonden die gerelateerd zijn aan deficiëntie van pyruvaat kinase. Het gaat om een deficiëntie (slechts 5‐20% van het normale niveau) in de rode bloedcellen. Omdat deze geen mitochondria hebben zijn ze voor energie productie afhankelijk van de glycolyse. Door een remming van de werking van pyruvaat kinase is de energie productie in de cellen niet voldoende. Doro te weinig energie voor onderhoud van bijvoorbeeld het celmembraan krijgen de rode bloedcellen een andere vorm. Deze cellen zijn gevoelig voor phagocytose door het eigen lichaam, afbraak van rode bloedcellen vindt dus plaats. Tevens is er een opeenhoping van tussenproducten van de glycolyse voor stap 10 (in het bijzonder 2,3 BPG). Deze opeenhoping zorgt wel voor een verminderde affiniteit van hemaglobine voor zuurstof, waardoor deze sneller aan het weefsel wordt afgegeven. Zuurstoftekort wordt hierdoor wel verminderd. De verhoudingen tussen gluconeogenese en glycolyse worden gereguleerd. Deze regulatie vindt niet plaats door thermodynamische wetten want deze hebben beiden een negatieve delta G onder cellulaire omstandigheden. Hierdoor zouden ze beiden cyclisch kunnen plaats vinden. De regulering vindt dus plaats via de werking van enzymen. De snelheid van de glycolyse wordt bepaald door de hoeveelheid glucose terwijl de snelheid van de gluconeogenese juist gereguleerd wordt door de hoeveelheden glucogene precursors. De interconventie van F6P en FBP wordt sterk gereguleerd. Deze stap is reversibel en daarom een belangrijk kruispunt tussen de gluconeogenese en glycolyse. Hoge levels van AMP (lage energie) stimuleren de glycolyse en remmen de gluconeogenese. Andersom geld dit voor ATP en citraat wat een hoge energie voorraad indiceert. Dezelfde regulering vindt plaats in stap 10 van de glycolyse tussen PEP (fosfoenolpyruvaat) en pyruvaat. ATP en alanine remmen pyruvaatkinase. Hoge levels van acetyl‐ CoA stimuleren het enzym pyruvaat corboxylase (eerste enzym/stap gluconeogenese) en hoge levels van ADP (laag energie niveau) remt dit enzym juist. Fosfoenolpyruvaat carboxykinase (zet oxaalacetaat om naar PEP) wordt tot slot geremd door ADP. De reden waarom PFK de regulering voornamelijk bepaald en niet HK is omdat als HK de glycolyse snelheid zou bepalen en het zou stoppen‐ remmen‐ dan zouden ook glyconenese (glycogeen) en het PPP niet meer kunnen plaats vinden en die kunnen dat wel wannneer PFK glycolyse bepaald. HK reageert alleen wannneer G‐6‐P ophoopt, maar de gehele regulering ligt aan PFK (dit is dan ook de rate limiting step) De gluconeogenese in het kort wordt dus bevorderd door hoge energielevels (veel ATP) en veel biosynthetische precursors, glycolyse wordt gestimuleerd door lage ATP levels. COLLEGE 10 In afwezigheid van zuurstof (anaeroob) produceren cellen lactaat of ethanol in gist. In de aanwezigheid van zuurstof gebruiken de cellen zuurstof en produceren ze Co2 en water, dit gebeurt in de citroenzuurcyclus (krebcyclus/TCA). Deze cyclus is verantwoordelijk voor ongeveer 2/3 van de oxidatie van koolstofdelen en de voornaamste eindproducten zijn Co2 en hoog‐energie elektronen in de vorm van NADH. Het vindt plaats in de mitochondria. De NADH wordt vervolgens door een transportketen gehaald waar het aan O2 bindt en H2O vormt. De citroenzuurcyclus zelf verbruikt geen O2 maar heeft het wel nodig omdat er geen andere manier om efficiënt de gevormde NADH terug te generen naar NAD+ en van zijn elektronen af te komen. NAD+ is nodig om de cyclus te laten verlopen. De citroenzuurcyclus is in z’n geheel verantwoordelijk voor de oxidatie van koolstofatomen aan acetyl‐CoA tot CO2. Acetyl CoA wordt echter niet direct geoxideerd maar eerst aan een 4‐
koolstof molecuul (oxaalacetaat) gebonden om citroenzuur (citraat) te vormen. (stap 1) De citroenzuurcyclus bestaat uiteindelijk uit 8 reacties waarbij citraat geleidelijk geoxideerd wordt en de energie hieruit afkomstig gevangen wordt in carrier moleculen (NADH, FADH2 en GTP). GTP lijkt heel erg op ATP en de fosfaatgroep wordt dan ook aan ADP gebonden: GTP + ADP ‐> GDP + ATP. FADH2 en NADH zullen verder gebruikt worden in het proces oxidatieve fosforylering om ten slotte eveneens ATP te produceren, wat de enige stap is in het katabolisme dat directe zuurstof vereist. (let hierbij op dat in bovenstaand figuur duidelijk is dat bijvoorbeeld de vorming van citraat geen directe zuurstof maar water vereist). Dit brengt tevens een ander misverstand aan het licht wat betreft cellulaire respiratie. Er is O2 nodig en er wordt Co2 geproduceerd. De O2 wordt echter niet direct in CO2 gecorporeerd, maar in water. Naast pyruvaat kunnen ook sommige aminozuren het mitochondrium ingaan als intermediairen van de citroenzuurcyclus, dus het mitochondrion is het centrum waarnaar alle energieproducerende processen in de cel gericht zijn, ongeacht of deze stoffen beginnen als vet, suiker of eiwit. De citroenzuurcyclus is tevens een belangrijk beginpunt voor de biosynthetische reacties die in het cytosol plaatsvinden. (voorbeelden: oxaalacetaat en alpha‐ketogluteraat). Nu verder eerst maar even de citroenzuurcyclus als naslagwerk bij de verdere tekst: Ondans dat er geen fosfaatgroep gebonden is in één van de tussenreacties wordt GTP toch uit GDP gevormd. Dit wordt gedaan met een vrije fosfaatgroep in oplossing. Reaction 2: Acontinase The next reaction of the citric acid cycle is catalyzed by the enzyme acontinase. In this reaction, a water molecule is removed from the citric acid and then put back on in another location. The overall effect of this conversion is that the –OH group is moved from the 3' to the 4' position on the molecule. This transformation yields the molecule isocitrate. Figure 2.3: Reaction 2. Reaction 3: Isocitrate Dehydrogenase Two events occur in reaction 3 of the citric acid cycle. In the first reaction, we see our first generation of NADH from NAD. The enzyme isocitrate dehydrogenase catalyzes the oxidation of the –OH group at the 4' position of isocitrate to yield an intermediate which then has a carbon dioxide molecule removed from it to yield alpha‐ketoglutarate. Figure 2.4: Reaction 3. Reaction 4: Alpha‐ketoglutarate deydrogenase In reaction 4 of the citric acid cycle, alpha‐
ketoglutarate loses a carbon dioxide molecule and coenzyme A is added in its place. The decarboxylation occurs with the help of NAD, which is converted to NADH. The enzyme that catalyzes this reaction is alpha‐ketoglutarate dehydrogenase. The mechanism of this conversion is very similar to what occurs in the first few steps of pyruvate metabolism. The resulting molecule is called succinyl‐CoA. Figure 2.5: Reaction 4. Reaction 5: Succinyl‐CoA Synthetase The enzyme succinyl‐CoA synthetase catalyzes the fifth reaction of the citric acid cycle. In this step a molecule of guanosine triphosphate (GTP) is synthesized. GTP is a molecule that is very similar in its structure and energetic properties to ATP and can be used in cells in much the same way. GTP synthesis occurs with the addition of a free phosphate group to a GDP molecule (similar to ATP synthesis from ADP). In this reaction, a free phosphate group first attacks the succinyl‐CoA molecule releasing the CoA. After the phosphate is attached to the molecule, it is transferred to the GDP to form GTP. The resulting product is the molecule succinate. Figure 2.6: Reaction 5. The enzyme succinate dehydrogenase catalyzes the removal of two hydrogens from succinate in the sixth reaction of the citric acid cycle. In the reaction, a molecule of FAD, a coenzyme similar to NAD, is reduced to FADH2 as it takes the hydrogens from succinate. The product of this reaction is fumarate. Figure 2.7: Reaction 6. FAD, like NAD, is the oxidized form while FADH2 is the reduced form. Although FAD and NAD perform the same oxidative and reductive roles in reactions, FAD and NAD work on different classes of molecules. FAD oxidizes carbon‐carbon double and triple bonds while NAD oxidizes mostly carbon‐
oxygen bonds. Reaction 6: Succinate Dehydrogenase The enzyme succinate dehydrogenase catalyzes the removal of two hydrogens from succinate in the sixth reaction of the citric acid cycle. In the reaction, a molecule of FAD, a coenzyme similar to NAD, is reduced to FADH2 as it takes the hydrogens from succinate. The product of this reaction is fumarate. Reaction 7: Fumarase In this reaction, the enzyme fumarase catalyzes the addition of a water molecule to the fumarate in the form of an –OH group to yield the molecule L‐ malate. Figure 2.8: Reaction 7. Reaction 8: Malate Dehydrogenase In the final reaction of the citric acid cycle, we regenerate oxaloacetate by oxidizing L–malate with a molecule of NAD to produce NADH. Figure 2.9: Reaction 8. Conclusion We have now concluded our discussion of the reactions that compose the citric acid cycle. It is helpful at this point to take a minute to take stock of what the citric acid cycle has generated from one acetyl‐CoA molecule. The acetyl‐CoA, has been oxidized to two molecules of carbon dioxide. Three molecules of NAD were reduced to NADH. One molecule of FAD was reduced to FADH2. One molecule of GTP (the equivalent of ATP) was produced. Keep in mind that a reduction is really a gain of electrons. In other words, NADH and FADH2 molecules act as electron carriers and are used to generate ATP in the next stage of glucose metabolism, oxidative phosphorylation. In the next SparkNote on Oxidative Phosphorylation and the electron transport chain, we will learn what processes take place to ultimately derive the the majority of the ATP we need to fuel our daily activity. De C‐atomen die gebruikt zijn voor de vorming van CO2 zijn afkomstig van acetylCoA welke weer in de cyclus afkomstig is van vetzuren en pyruvaat. Aconitase (stap 2) verplaatst het OH molecull altijd naar het deel van citraat welke afkomstig is van oxaalacetaat. De somreactie voor de oxidatie van pyruvaat is: Pyruvate + CoA + NAD+ → CO2 + Acetyl‐CoA + NADH + H+ (voor het PDH‐complex) Acetyl‐CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H20 <==> CoASH + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2CO2 + 3H+ (citroenzuurcyclus) Netto: Pyruvate + CoA + 2 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H20 → 2 CO2 + 4 NADH + 4 H+ CoASH + FADH2 + GTP + 2CO2 Als je dan zoals in de zelfstudie gevraagd wordt helemaal terug te gaan naar het beginpunt glucose is dit de volledige netto reactie van de glycolyse + citroenzuurcyclus: Glycolyse: C6H12O6 (glucose) + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P ‐> 2 pyruvaat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ Netto: glucose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 P + 2 CoA + 4 NAD+ + 2 FAD + 2 GDP + 2 Pi + 4 H20 ‐> + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 4 CO2 + 8 NADH + 8 H+ 2 CoASH + 2 FADH2 + 2 GTP Let hierbij op dat de glycolyse 2 pyruvaat oplevert en per cyclus in de TCA 1 gebruikt wordt!!! De cylcus wordt dus tweemaal doorlopen uit 1 glucose molecuul!!! print pagina 14 en 15 van college 10 uit, deze plaatjes zijn niet op internet te vinden en zeer handige ezelsbruggen! Ander ezelsbruggetje: A certificate in Kamasutra should further my orgasm! De verdere productie van ATP vindt plaats in de elektronentransportketen. De details volgen in volgend college, hier alvast een klein voorproefje. In de keten worden NADH en FADH2 gereduceerd terwijl ze andere moleculen oxideren (redox) waarbij de elektronen worden overgedragen. De elektronentrasnportketen is gelokaliseerd in het binnenmembraan van het mitochondrion. De elektronen gaan opeenvolgend langs de keten waarbij ze geleidelijk vervallen tot een minder hoge energie status. De energie die ze hierbij kwijtraken wordt gebruitk om H+ ionen langs de celmebraan naar buiten te drijven (van het binnencompartiment naar het buiten compartiment maar blijft in het mitochondrion). Een gradient van H+ wordt daarbij gegenereerd wat op zijn beurt weer als energiebron gebruikt kan worden om voornamelijk ATP te vormen. Aan het eind van deze overdrachten worden de elektronen aan O2 gebonden welke in het mitochondrion gediffuseerd is. Het door de elektronen gereduceerd zuurstof bindt direct aan H+ waardoor het water vormt. De elektronen hebben op dit punt hun energiestatus verloren en alle energie is gebruikt in het mitochondrion. Dit heet oxidatieve fosforylatie!!! De meeste energie van glucose komt uit dit proces (30 ATP) terwijl de glycolyse en krebcyclus alleen 2 ATP opleveren. Bovendien leveren de glycolyse en kreb’s meer reducerend vermogen op in de vorm van NADH en FADH2 dan direct ATP. De zuurstof nodig voor deze reactie komt dus terecht in H2O en niet Co2. Omdat het ATP niveau van de cel continu op peil gehouden wordt zijn er mogelijkheden tot opslag van energie. Dit kan in zowel vetzuren als glycogeen. Glycogeen kan worden afgebroken tot G‐1‐P en verder gebruikt in de glycolyse. Veel belangrijker en omvangrijker is de opslag van energie in de vorm van vet. Dit is omdat de oxidatie van een gram vet ongeveer twee keer zowel energie oplevert dan die van glycogeen én omdat bij de opslag van glycogeen ontzettend veel water gebonden wordt (6x zoveel) dan bij vet en de netto opslagmassa voor vet dus veel kleiner en efficiënter is. Om deze reden hebben mensen ook gemiddeld een glycogeenvoorraad voor een dag en een vetvoorraad voor een maand. Het meeste vet wordt opgeslagenin vetweefsel (adipose tissue) van waaruit het vrijkomt in de bloedsomloop voor cellen. (op de planten zal ik verder niet ingaan, lijkt me irrelevant maar voor wie wil p. 446 alberts). Naast productie van ATP heeft katabolisme natuurlijk ook de functie tot het genereren van bouwstoffen benodigd voor synthese. Wanneer intermediairen van de krebcyclus gebruikt worden voor synthese zullen deze wel aangevuld moeten worden om de cyclus blijvend te laten lopen. Een voorbeeld hiervan is pyruvaat carboxylase welke pyruvaat direct omzet in oxaalacetaat indien deze voor synthese gebruikt wordt. Tot slot nog even de regulatie van metabolisme, wat natuurlijk zeer nauwkeurig gebeurd: Veel producten van een van de processen zijn eveneens intermediairen of beginproducten van andere processen. Er is dus voortdurende competitie voor een stof. Toch gaat dit via een geïntrigeerd netwerk zere gerugeeld. Het complete overzicht is veel te ingewikkeld. Belangrijk is door alle samenwerking dat de cel buitengewoon stabiel is! COLLEGE 11 Tijdens de glycolyse en krebcyclus vinden oxidaties van moleculen glucose plaats waarbij in totaal 10 NADH en 2 FADH2 wordt geproduceerd. Deze stoffen moeten gereoxideerd worden om weer Nad+ en FAD+ te kunnen vormen welke nodig zijn voor het behoudt van metabolisme. De uiteindelijke oxidatie zorgt voor maar liefst voor 26 ATP van de totale gevormde 30 ATP, een groot deel dus. Oxidatieve fosforylering (OF) is het proces waarin dit gebeurt, mitochondria. Tijdens OF wordt er een protongradiënt avn H+ gecreeërd welke enrgie oplevert voor productie van ATP. De H+ glijdt het membraan binnen via ATPsynthase een uniek eiwit dat door transport van H+ energie haalt om ATP van te maken. Dit proces, waarbij een gradiënt voor energei gebruikt wordt heet chemiosmotisch koppelen. Dit systeem vindt in zowel cellen als bacteriën plaats (|dan in het plasma mebraan want ze hebben geen mitochondria). Het protongradiënt is door bijvoorbeeld Na+ en K+ nooit nul. OF maakt gebruik van stapsgewijze vormen van transport. Dit omdat anders de meeste energie als warmte vrij zou komen (het wordt niet goed opgeslagen of vastgehouden) en dus niet efficiënt werkt. Mitochondria zijn hoog gespecialiseerde cellen die hun eigen RNA en DNA bevatten, ribosomen, eigen transcriptie/translatie systeem, synthese van eigen eiwitten en veranderen steeds van vorm en positie. Ook hebben ze de mogelijkheid om ergens vast te zitten op plaatsen waarbij veel plotselinge ATP nodig is zoals in hartspier. Mitochondria bestaan uit twee hoog gespecialiseerde membranen, een buiten en een binnen mebraan. Het buitenmebraan bevat onder andere het transport eiwit porine welke waterige kanalen door de lipide bilaag vomrt. Hierdoor is de intralecellulaire omgeving van het mitochondrium hetzelfde als die van het celcytosol. Het binnenmembraan is de locatie voor protonen transport en bevat het eiwit ATPsynthase. Het bevat een hele reeks aan vouwen, christae, zodat de oppervlaktegrootte van de binnenmebraan sterk wordt vergroot. Er is dus een groter oppervlak6te voor ATP synthese. Mitochondria gebruiken pyruvaat en vetzuren als energiebron, welke eerst langs het binnenmebraan gaan om omgezet te worden tot het cruciale acetyl CoA. De acetylgroepen van acetyl‐CoA worden vervolgens eerst in de krebcyslus geoxideerd. De koolstof atomen in Acetyl CoA worden omgezet in CO2 welke als afvalproduct wordt uitgescheiden. De NADH en FADH2 gaan de elektronen transportketen in. De elektronen gaan snel door de keten heen om aan O2 te binden en water te vormen. Hierbij wordt NADH en FADH2 weer NAD+ en FAD+. De eiwitten die in de transportketen gebruikt worden zijn onder te verdelen in 3 grote groepen enzymen: 1. NADH dehydrogenase complex. Van NADH wordt een H+ afgesplitst samen met twee hoge energie elektronen. H+ + 2e –. De nadh dehydrogenase accepteert vervolgens de elektronen. 2. Cytochrome b‐c1 complex 3. Cytochrome oxidase complex. In deze stap wordt er uiteindelijk zuurstof gebruikt. Ze bevatten allemaal metaalionen en andere chemische groepen die het transport van elektronen mogelijk maken. Elke elektrontransfer is een redoxreactie waarbij één molecuul geoxideerd en de ander gereduceerd wordt. Elektronen verplaatsen zich hierbij vrij gemakkelijk van moleculen met een lage affiniteit naar moleculen met een hoge affiniteit. Elke onderdeel van de keten gebruikt de energie vrijgekomen bij elektronen transport om protonen uit water naar buiten (buiten het binnenmebraan!!! Niet mitochondrion) te pompen. Het actieve pompen van deze protonen heeft twee consequenties: 1. Het genereert een pH gradiënt waarbij de pH binnen (matrix, pH 7) lager is dan de pH buiten (tussen membraanruimte, pH 8. ). 2. Het genereert een membraanpotentiaal met de binnenzijde negatief (matrix) en de buitenzijde positief (intermembraan ruimte) Dit gradiënt maakt het voor H+ zeer aantrekkelijk om weer naar binnen de matrix te verhuizen. Het enzym dat er voor zorgt dat deze terugkeer van H+ naar binnen ATP synthese mogelijk maakt is ATP synthase. Dit enzym creeërt een hydrofiele route van buiten naar binnen het membraan voor H+. Het functioneert als een soort motortje. Wanneer de H+ door de smalle opening van ATP synthase gaat veroorzaakt dit beweging welke ATP productie indiceert (beweging = energie). De conformatieverandering die ATP synthase ondergaat door deze bewegingsenergie wordt vervolgens omgezet in chemische bindingsenergie welke weer gebruikt kan worden om ATP te maken. Dit devies heeft de mogelijkheid tot productie van ongeveer 100 ATP per seconde, waarbij 3H+ per molecuul ATP nodig is. De mogelijkheden van ATP synthase kunnen in principe omgedraaid worden, waarbij ATP gebruikt wordt om H+ naar buiten te pompen, de gangbare fucntie is echter bovengenoemd. Welke van de twee opties ATPsynthase gebruikt hangt af van het proton gradiënt van het mebraan. Bij bacteriën wordt het omgedraaid bij O2 tekort, omdat het protongradiënt ook nodig is om voedingsstoffen naar binnen te halen. Naast dat het protonengradiënt gebruikt wordt om ATP te produceren speelt het ook een belangrijke rol bij het importeren van metabolieten door middel van actief transport. Als voorbeelden zijn hier geladen elementen zoals ADP, pyruvaat en Pi de cel in en ATP de cel uit. Carrier eiwitten die deze stoffen kunnen binden kunnen dit transport aan het energetisch favoriete transport van H+ de cel in koppelen, dit gaat dan om pyruvaat en Pi. ADP wordt aan het transport van ATP gekoppeld om respectievelijk in en uit de cel te komen. (p. 466 alberts). De opbrengst per NADH molecuul is ongeveer 2,5 ATP (behalve wanneer tijdens de glycolyse geproduceerd dan is het 1,5 ATP). Die van FADH2 is minder namelijk 1,5 ATP per molecuul. Waarom dit zo is zal ik straks op terug komen. In bovenstaand wordt uitgegaan van 3 ATP per NADH en 2 per FADH2. De stap die je tussen de glycolyse en citroenzuurcyclus ziet welke 2 NADH oplevert is natuurlijk pyruvaat dehydrogenase!!! Sommige van de ATP geproduceerd wordt door het mitochondrion zelf gebruikt de rest wordt als ATP naar buiten gepompt en als ADP weer naar binnen. Dit gaat zo efficiënt dat gemiddeld de concentratie ATP 10x zo hoog is als die van ADP. Indien het ATP transport niet meer mogelijk is, is er geen energie meer voor het lichaam en ga je dood, cyanide blokkeert het transport over het binnenmembraan van het mitochondrion en is dus dodelijk. Oxidatieve fosforylering kan niet zonder zuurstof plaatsvinden, staat dus niet los van elkaar. De elektronentransportketen betekent echter de oxidatie van NADH en FADH2 en oxidatieve fosforylering betekent het in navolging hierop produceren van ATP. Ondanks dat protonen gelijkend zijn op andere positieve ionen zoals NA+ en K+ zijn ze ook in bepaalde opzichten uniek. Ze zijn bij verre het meest voorkomend, ze zijn heel erg mobiel en belangrijk aanwezig in water wat overal in de cel te vinden is en dus als goed reservoir dient. De overdracht van elektronen is een redox reactie. Hierbij komen protonen kijken omdat de negatieve lading door opname van een elektron geneutraliseerd kan worden door een proton. Andersom kan dit ook, bij afstaan elektron kan ook H+ afgestaan worden. Omdat water ideaal is als acceptor en donor en deze zowel in als buiten het membraan is, is er slechts een heel simpel systeem om protonen over het celmembraan heen te krijgen. In chemische reacties is het altijd zo dat als een molecuul geoxideerd wordt (elektron ontvangt) een ander gereduceerd wordt (een elketron afstaat). Hier komt de term redox reactie vandaan. Of deze reacties spontaan plaatsvinden gaat hierbij ook om thermodynamica, de hoeveelheid vrije energie evrschil (delta G) is hier van invloed op. Hoe groot die delta G is hangt af van de affiniteit van de twee moleculen voor elektronen. Net zoals je zuur/base paren hebt heb je ook redoxparen (zoals NADH – NAD+ + H+ + 2e‐. NADH is een sterke elektrondonor omdat de elektronen in een hoge energieverbinding wordt vastgehouden. Als vanzelfsprekend is zijn partner NAD+ dus een zwakke acceptor voor elektronen. Het redox potentiaal bepaald hoe sterk een redoxpaar is voor het vasthouden van elektronen binnen het paar. Een laag potentiaal (kan ook negatief zijn) betekend een lage affiniteit, hoog is hoog. O2 en H2O hebben bijvoorbeeld een hoog potentiaal, NADH/NAD een laag potentiaal. Om deze reden zullen elektronen dus ook spontaan van NADH naar O2 overgaan (elektronen transport). Het verschil in redoxpotentiaal is een directe maat voor de vrije energie verandering bij overdracht van één elektron van het ene molecuul naar een ander. De formule om dit te berekenen is als volgt: verschil redoxpotentiaal (tussen twee paren) = delta E. DeltaG = ‐n(0,023)deltaE. Waarbij n gelijk staat aan het aantal elektronen die getransporteerd worden tussen een paar. Wel moet hierbij in acht worden genomen dat zoals in hoofdstuk 3 behandeld de vrij energie afhankelijk is van de concentraties. De standaardredox potentiaal is dus ook voor 1:1 concentraties maar wanneer er meer van één is dan veranderd deze zaak. (veel NADH geeft meer negatief redoxpotentiaal dan weinig NADH, t.o.v. NAD+ en dus ook een negatievere delta G). Dit is omdat het gunstig is om elektronen af te staan zodat er weer meer NAD+ gevormd wordt. Het paar wordt dus zwakker de overdracht van elektronen groter. Als je dit berekend zie je dat het voor NADH ‐> O2 = ‐26,2 kcal/mol. Dit is enorm veel en precies waar gebruik van gemaakt wordt in de elektronentrasnport keten op gecontroleerde wijze. Omdat elke carrier in de transportketen zijn elektronen iets beter vasthoudt (groter redoxpotentiaal!!!) dan de voorgaande de energetisch favoriete reactie van 2H= + 2e‐ + ½ O2 ‐> H2O is stapjes uitgevoerd. Dit zorgt ervoor dat ongeveer de helft van alle energie tijdelijk wortd opgeslagen in plaats van vrij te komen als warmte. Binnen elk van de drie onderdelen van de trasnportketen bewegen elektronen zich voornamelijk tussen metaalionen die aan de eiwitten gebonden zijn. Het bewegen tussen de 3 onderdelen gebeurd echter op een andere manier. Daar worden elektronen verplaatst doro moleculen die door de bilaag diffunderen en zo de elektronen meenemen van het ene complex naar het andere. Een voorbeeld hiervan is tevens weer bijzonder. Ubiquinone is een klein hydrofoob molecuul dat in de lipide bilaag oplost en geen onderdeel is van een eiwit. Het is belangrijk bij de elektronen transport van de NADH‐dehydrogenase naar de cytochrome b‐c1. Het kan eéén of twee elektronen tegelijk oppakken en doneren. Alle andere elektron dragers zijn kleine moleculen die gebonden zijn aan eiwitten. Hieronder valt ook het molecuul dat het elektron van NADH naar ubiquinone draagt. De elektronen worden binnen het NADH dehydrogenase complex van een flavinegroep gebonden aan het complex naar ijzer‐
sulfaatgroepen met hoger redoxpotentiaal verplaatst. De laatste ijzer‐sulfaatgroep doneert het elektron (1 tegelijk) aan ubiquinone. Ijzer‐sulfaat complexe hebben een relatief laag redoxpotentiaal en daarom minder geschikt om later in de keten gebruikt te worden. Hier worden dan ook ijzeratomen in heme groepen gebonden aan cytochrome als drageers gebruikt. Dit gebeurd in de twee laatste complexen (2 en 3). Omdat ijzer kleurt dus ook cytochrome (chroma = kleur). Er bestaan verschillende cytochromen en het redoxpotentiaal verschilt en stijgt verder op in de keten. Cytochrome‐c is bijvoorbeeld de drager tussen complex 2 en 3. In het laatste complex vinden we naast de ijzer atomen in heemgroepen ook koper atomen terug die op een zodanige manier aan een eiwit vastzitten dat het redoxpotentiaal sterk stijgt. De redenen dat deze dragers van elektronen (behalve ubiquinone) aan eiwitten gebonden zijn: 1. Eiwitten, of beter de binding aan eiwitten, zorgen dat de dragers in een bepaalde volgorde in de keten komen te zitten. De redoxpotentialen zijn op elkaar afgestemd en stapsgewijs verlies van energie is mogelijk. 2. De eiwitten positioneren de Fe atomen zodat efficiëntere overdracht mogelijk is. 3. De eiwitten voorkomen dat elektronen een tussenliggende stap over slaan (kanaal maken) 4. Eiwitten zorgen ervoor dat de elektronenstroom gebruikt kan worden voor het pompen van H+ naar buiten, welke uiteindelijk voor de ATP synthese nodig is. Cytochrome oxidase ontvangt elektronen van cytochrome‐c en oxideerd ze dus. Hierna wordt het afgegeven aan zuurstof. Hierbij worden 4 elektronen en 4 protonen uit de waterige omgeving worden aan zuurstof gebonden om twee water moleculen te vormen. In additie worden hiernaast ook 4 protonen over de membraan naar de tussenruimte gepompt. Dit proton pompen gebeurt door een comformatieverandering welke door de elektronen transport gedaan wordt. Op de actieve plaats bevat cytochrome oxidase een complex van een heem ijzer atoom met daarnaast een strak gebonden koper atoom. Het is in dit complex waar bijna alle zuurstof die we inademen (90%) gebruikt worden en het is het laatste stadium voordat de elektronen van NADH (en FADH2) aan zuurstof gebonden worden. Een belangrijke functie van cytochrome oxidase is ook om het zuurstof stevig vast te houden tot alle 4 de elektronen eraan gebonden zijn. Indien dit niet gebeurt bestaat er een kans op vorming van O2‐ wat een evensbedreigende radicale is. Het specifieke mechanisme waarmee de drie complexen de protonen over het membraan pompen verschilt per complex, evenals de hoeveelheid protonen die per keer gepompt worden. Bij het cytochrome b‐c1 complex is het waarschijnlijk dat ubiquinone een rol speelt. Voor complex 1 en 3 is het waarschijnlijk een opeenvolging van comformatieveranderingen die een rol spelen. Dit alles is nogmaals zo complex omdat er enorme hoeveelheden vrije energie geproduceerd wordt in de trasnportketen welke alleen maar bruikbaar gemaakt kan worden in kleine stapjes. In boevenstaande deel zijn we voornamelijk ingegaan op het gebruik van de elektronen van NADH, maar hoe zit het nu ook alweer met FADH2? !!! let hier bij op WANT LIM HEEFT HET OVER 4 COMPLEXEN TERWIJL ALBERTS ER SLECHTS 3 BEHANDELD, en er eigenlijk 5 zijn als je ATP productie (ATP synthase) als complex meeneemt!!! FADH2 wordt, anders dan NADH, direct aan complex 2 gebonden (welke in alberts niet behandeld wordt). Dit komt omdat FADH2 afkomstig uit de krebcyclus aan succinate dehydrogenase gebonden wordt welke zelf weer onderdeel uitmaakt van het complex. Omdat complex 1 wordt overgeslagen is de uiteindelijke energieopbrengst van FADH2 dus ook 1,5 en niet 2,5 zoals NADH. Na binding aan complex twee worden de elektronen ook aan ubiquinone (CoQ10) doorgegeven om vervolgens vanaf cytochrome b‐c1 het verdere pad te volgen. De reden dat Alberts complex 2 waarschijnlijk niet behandeld is omdat deze geen protonen pompt en uiteindelijk dus niet meehelpt met het gradiënt en daarmee ATP synthese. NB: nogmaals zoals je in bovenstaand bijschrift kunt lezen in de elektronen transportketen complex 1 t/m 4. Oxidatieve fosforylering is echter het proces waarbij ATP geproduceerd wordt, dus complex 5. ANT staat voor het gekoppelde transport van ADP en ATP in en uit de cel!!! (volgens mij, maar hier ben ik niet 100% zeker van, staat de ademhalingsketen voor complex 1 t/m 5 samen). Voor de oplettende kijker heb je kunnen zien dat NADH tijdens de glycolyse geproduceerd kan worden, echter moet deze naar het mitochondrium getrasnporteerd worden, welke ondoorlaatbaar is voor NADH. Hier zijn twee methoden voor: 1. Glycerol‐3‐fosfaat shuttle: elektronen worden van NADH naar FADH2 getransporteerd welke vervolgens de elektronen transportketen in gaat (let wel, hier komt het dus bij complex 2 binnen en genereert dus 1,5 ATP ipv 2,5 ATP voor mitochondrisch NADH). 2. Malaat‐aspartaat shuttle: deze is voornamelijk actief in de lever en het hart. De elektronen van NADH in het cytosol wordt over gebracht naar de mitochondrische NADH, om de transportketen in te gaan (geeft dus 2,5 ATP). COLLEGE 12 Net als de glycolyse (en eigenlijk alles in het lichaam) wordt ook de krebcyclus gereguleerd. Omdat de krebcyclus een centraal punt in metabolisme is wordt deze gereguleerd door de behoeften van verschillende processen in verschillende weefseltypen. De controle van de cyclus kan op twee niveaus beschouwd worden: 1. Allosterische regulatie: hier vinden we drie sleutelenzymen voor regulatie terug: a. Citraat synthase b. Isocitraat dehydrogenase c. Alpha‐ketoglutaraat dehydrogenase Alle drie de enzymen worden geactiveerd door Ca2+, waarbij de niveaus van Ca2+ verhoogd zijn bij bijvoorbeeld spier contractie, dus als er meer ATP nodig is. The enzymen worden eveneens gereguleerd door de niveaus in ATP en NADH, welke dan natuurlijk de enzymen inhiberen, omdat NADH en ATP een hoge energie status tekenen. 2. Ademhalingscontrole: de belangrijkste controle van de krebcyclus is via de ademhaling. Deze wordt geregeld via de activiteit van de transportketen en de mate van oxidatieve fosforylering. Dit gebeurd op zijn beurt weer door een aantal factoren. a. krebcyclus heeft NAD en FAD nodig, welke door de Elektronen transportketen gegenereerd worden. Lagere activiteit van de transportketen inhibeerd dus ook de krebcyclus door te weinig substraat. b. De ATP die geproduceerd wordt is ook een inhiberende factor voor de krebcyclus. ADP:ATP is dus belangrijk. c. Alle andere factoren die de transportketen of Oxid. Fosfo. belemmeren, bijvoorbeeld dus ook zuurstof, inhiberen de functie van TCA. 17 Ook de elektronentransportketen wordt natuurlijk gereguleerd op twee manieren. 1. Ontkoppeling: Een belangrijk gevolg wat kan plaats vinden in deze keten is de loskoppeling van het protonengradiënt van ATP synthase. Elke stof die de doorlaatbaarheid van het membraan voor protonen vergroot (waardoor deze dus niet via ATP synthase naar binnen hoeven) verminderd de ATP productie. 2,4‐dinitrophenol is een stof die precies dit doet. Het is een vetoplossend proton dat vrijuit door het binnenmebraan kan diffuseren en protonen met zich meedraagt. De energie die door de elektronenketen wordt geproduceerd wordt dan ook als warmte vrijgelaten. FCCP is een soortgelijk molecuul met dezelfde functie. Fysiologisch gebeurd deze ontkoppeling ook, bruin vetweefsel, is hier een voorbeeld van. Overwinterende zoogdieren en baby’s hebben dit bruine vet (nek en bovenrug). Voor deze ontkoppeling wordt het molecuul thermogenine gebruikt en heeft als functie om het lichaam warm te houden. 2. Inhibitie: inhibitoren binden aan componenten in de transportketen en blokkeren de overdracht van elektronen op specifieke plaatsen. Alle elektronen voor de blokkade worden gereduceerd, maar de elektronen na de blokkade blijven geoxideerd. Deze inhibitie leidt tot een minder grote gradiënt en uiteindelijk minder ATP productie. TMPD (tatramethyl‐p‐phenyldiamine) is bijvoorbeeld een kunstmatige elektrondonor welke elektronen direct op cytochroom‐c transporteerd. Vitamine C is een belangrijke voedingstof die de functie van TMPD reduceerd en dus de blokkade beperkt. De ATP productie wordt tot slotte gecontroleerd door de toevoer van ADP, welke uiteraard nodig is om ATP te maken. Aangezien de elektronentransportketen en de ATP synthese sterk gekoppeld zijn wordt door remming van de synthese de transportketen ook geremd. COLLEGE 13 Naast gebruik voor biologische membranen worden vetzuren ook gebruikt voor andere doeleinden, namelijk als metabole brandstof (vetzuuroxidatie) en voor de vorming van triaglycerollen (TAG) (energieopslag). De goede opslag van vetzuren is nodig omdat hoge concentraties van vetzuren toxisch zijn door hun detergerende werking. Vetzuren kunnen uit de voeding afkomstig zijn maar ook door de cel zelf geproduceerd (vetzuursynthese). Om alle vetzuren nog eens op een rij te hebben is het handig om de strcuturen behorende bij zelfstduie 0 weer goed door te kijken (zie begin samenvatting). Herinner je de reden nog waarom TAG nu juist t.o.v. bijvoorbeeld glycogeen een goede opslag methode is?!! Het getal meer dan 6 dat daarbij genoemd werd komt voort uit de hoeveelheid water die bij de glycogeen opslag betrokken is, deze is 6x zo hoog bij glycogeen dan vet, dus de opslag kost meer massa en minder relatieve energie. Acetyl‐CoA is zowel de bouwstof voor vetzuur synthese (lipogenese) als die van vetzuurafbraak (bèta‐oxidatie). Toch is lipogenese niet een simpele omkering van de bèta‐oxidatie. Nazoeken waarom! Vetzuursynthese: vetzuursynthese vindt plaats in een cyclische reactie waarbij opeenvolgend twee koolstofatomen aan acetyl‐CoA geplaats worden, tot er uiteindelijk een vetzuurketen geproduceerd wordt. Het vindt plaats in de lever, vetweefsel en melkklieren, en een geringe hoeveelheid in de nier. Het vindt plaats in het celcytosol. Het meest voorkomend verzadigd vetzuur dat gevormd wordt is palmitaat. Dit is een 16‐C molecuul. De constructie van dit vetzuur begint met de vorming van acetyl‐CoA in het mitochondrion . Vervolgens wordt het het celcytosol in getransporteerd waar het omgezet wordt tot malonyl‐CoA. Dan volgt er verder een aantal reacties die gekatalyseerd worden door vetzuur synthase. Voor de synthese van vetzuren is NADPH nodig welke door het PPP wordt gevormd en ook gedeeltelijk dor de pyruvaat‐malaat cyclus. BEKIJK DE PLAATJES IN LIM, WANT NIET OP INTERNET TERUG TE VINDEN.!!! Pyruvaat dehydrogenase katalyseert de reactie van pyruvaat naar Acetyl‐Coa, welke nodig is voor de vetzuur synthese. Dit gebeurt in de mitochondriale matrix. Acetyl‐CoA kan naast uit pyruvaat ook gevormd worden bij de afbraak van ketonlichamen, aminozuren en vetzuren. Acetyl CoA moet vervolgens het mitochondrion uit getransporteert worden omdat vetzuursyntese in het cytosol plaatsvindt. Het CoA gedeelte kan niet vrijelijk door het membraan en moet dus getransporteert. Dit gebeurt eveneens door de pyruvaat/malaat cyclus (welke dus ook NADPH produceert). Het gedeelte van deze shuttle die het AceCoA ook daadwerkelijk transporteert heet de citraat shuttle. Acetyl CoA condenseert met oxaalacetaat waarbij citraat gevormd wordt (zie ook bovenstaand). Het citraat wordt door tricarboxylaat transporter over het membraan uit het mitochondrion getransporteerd. In het cytosol wordt citraat weer geplitst door citraat lyase waarbij oxaalacetaat en acetyl CoA vrijkomen. De oxaalacetaat wordt in het cytosol weer omgezet naar malate en vervolgens pyruvaat welke wel weer het mitochondrion in kan door de pyruvaat transporter. De omzetting van malate naar pyruvaat (malic enzyme) levert eveneens 1 NADPH op die gebruikt kan worden voor de vetzuur synthese. Omzetting van oxaalacetaat naar malaat kost 1 NADH. Het gehele proces van het transport van Acetyl‐CoA kost energie, te weten 1 ATP voor omzetting van citraat in oxaalacetaat en acetylCoA (citraat lysase) en 1 NADH voor terug zetten van oxaalacetaat naar malaat. Normaliter wordt citraat gebruikt om de Krebcyclus in te gaan en ATP te produceren, wanneer de levels ATP erg hoog zijn vindt vetzuursynthese met behulp van citraat plaats. Isocitraat dehydrogenase is een enzym van krebcyclus die geinhibeerd wordt door hoge energieniveaus. De vervolgende opeenhoping van citraat zorgt voor activatie van tricarboxylaat transporter. Aangezien er voor lipogenese ook ATP nodig is is dit ook een activerende factor, dus citraat en ATP = activatie. De AceCoA die in het cytosol zit wordt vervolgens omgezet in malonyl CoA. Deze stap is rate‐limiting en onomkeerbaar. De acetyl CoA wordt gecarboxyleerd door acetyl CoA carboxylase waarbij Biotine (vitamine) als cofactor optreedt. Biotine is gebonden aan de lysinegroep in het enzym en doet mee aan de reactie. Hierbij wordt eerst de biotine groep gecarboxyleerd, dit resulteert in een vrije carboxylgroep die verder gebonden kan worden aan acetyl‐coA. Biotine is daarom een drager van een carboxylgroep belangrijk voor deze reactie maar ook andere reacties zoals bij pyruvaat carboxylase. Vetzuursynthase: vetzuursynthese heeft een aantal enzymen nodig, die bij normale cellen samengevoegd zijn tot één enzym complex: vetzuursynthase (FAS). In bacteriën zijn dit wel verschillende enzymcomplexen. Vetzuur synthase bestaat uit een dimeer met twee identieke subunits. Elke unit bestaat weer uit 7 verschillende enzymen, welke elk een andere reactie van de synthese katalyseert. Elke subunit (dus twee) bevat ook een acyldragend eiwit.De functie van dit deel is het vasthouden van alle intermediairen van de synthese gebonden aan de thiolgroep (‐SH) van pantotheenzuur (in het ACP). De groeiende acylketen wordt hierdoor vastgehouden wanneer het langs de actieve bindingsplaatsen van de vetzuursynthese beweegt.De tegenoverliggende subunit biedt het vetzuur steeds aan de tegenoverliggende unit aan voor verdere synthese. Het houdt dus de groeiende vetzuurketens vast. Gebonden aan de twee units van de keten worden malonyl en acetyl CoA, welke samen condenseren tot een 4‐C molecuul. Hierbij wordt CO2 afgesplitst. Vanaf dit punt bindt nog 6 maal een malonylgroep waarbij dus uiteindelijk een 16‐C palmitaat gevormd wordt. AcetylCoA = 2C, malonyl‐CoA = 3C maar... 1 weg aan CO2. Uiteindelijk wortd van 7 malonylCoA’s + 1 acetyl CoA + 14 NADPH ‐‐ 1 vetzuur palmitaat. NEEM GOED NOTA VAN DE FIGUREN IN LIM, NIET OP INTERNET!!! Zoals altijd zit het weer net ingewikkelder dan bovengenoemd en vandaar dus ook nu de vetzuur synthese in stappen! 1. Additie: acetyl transacylase katalyseert de reactie waarbij de acetyl groep van de CoA aan de thiol groep van de FAS gebonden wordt. Malonyl transcyclase bindt vervolgens de malonylgroep aan de andere unit. Hierbij komen dus de twee CoA groepen van beiden als CoASH vrij. 2. Condensatie: Bèta‐ketoacyl synthase katalyseert de condensatie van acetyl (2C) en malonyl (3C) waardoor acetoacetyl‐ACP (4C) gevormd wordt. Hierbij wordt 1 CO2 afgesplitst. Bij het omzetten van acetyl‐CoA in malonyl‐coA (voor de daadwerkelijk synthese) is energie gebruikt die is opgeslagen in malonyl‐CoA. Door de condensatie wordt deze energie weer vrijgegeven waardoor verdere verlenging van de keten mogelijk is. 3. Reductie: bèta‐ketoacyl reductase converteert de ketogroep naar een alcohol, waarbij de reducerende agent NADPH is (wordt dus NADP+) 4. Dehydratie: er wordt water afgesplitst door bèta‐hydroxyacyl dehydratase, waardoor een dubbele binding ontstaat. 5. Reductie: enoyl reductase zorgt voor de tweede reductie reactie waarbij een verzadigd vetzuur geproduceerd wordt en tevens de eerste verlengingscylcus afgesloten wordt. 6. Site‐to‐site transfer: de 4‐c keten wordt nu naar de subunit getransporteerd waar in oorsprong de acetyl‐CoA aan gebonden zat, hierdoor komt de plek voor een nieuwe malonyl‐
CoA vrij. 7. Additie: het 4c molecuul condenseert opnieuw met een malonylCoA en stap 2‐6 herhalen zich n aantal keer (in het geval van palmitaat nog 6x, 7x in totaal dus). 8. Thioestarase zorgt er uiteindelijk voor dat palmitaat van het FAS wordt losgelaten. NB: alle stoffen komen uitiendelijk van acetyl‐CoA omdat malonyl‐CoA ook van acetyl‐CoA afkomstig is. Voor de nauwkeurige onder ons is de totaal reactie compleet dus: 8 acetyl‐Coa + 14 NADHP + 14H+ + 7 ATP  1 palmitaat + 14 NADP+ + 8 CoA + 7 ADP + 7 Pi + 7CO2 + 7 H2O. Palmitaat wordt niet zodanig in het lichaam opgeslagen maar triaglycerollen worden gebruikt voor de vetzuur opslag. Palmitaat zal dus hierin omgezet moeten worden. Triacylglycerollen bestaan uit 1 glycerolgroep en 3 vetzuren en de formatie hiervan bestaat uit 3 stappen: 1. Formatie van glycerol‐3‐fosfaat. a. 1 manier hiervoor is de fosforylering van glycerol door glycerol kinase. b. 2e manier is reductie van een glycolytisch intermediair (dihydroxyaceton fosfaat) door middel van glycerol‐3‐fosfaat dehydrogenase. 2. Activatie van vetzuren: vetzuur acetyl synthetase activeert de vetzuren door ze aan CoA te koppelen. Deze reactie behoeft ATP. (NB: weet je nog dat deze CoA vrijkwam bij condensatie tussen malonyl en acetyl?) 3. Estervorming van glycerol‐3‐fosfaat: dit gebeurt door acyl transferase in 3 stapjes waarbij de geactiveerde vetzuren aan glycerol‐3‐fosfaat gebonden worden. 4. Figuur LIM 4.7 triacylgycerol!!! Eveneens is het mogelijk om naast palmitaat gebruik te maken van kortere of alngere vetzuurketens, waarbij palmitaat verkort of verlengt wordt. Verlengen kan in zowel het ER als in het mitochondrion gebeuren. Afsplitsing vindt plaats in het ER. Er bestaan Cis en trans moleculen waarbij trans betekent dat de methylgroepen aan dezelfde kant van de dubbele binding zitten terwijl bij trans ze juist tegenovergesteld zitten, dit zijn voorbeelden van stereoisomeren. Verder kunnen vetzuren van elkaar verschillen in het aantal C‐atomen en de locatie en aantal van de dubbele binding(en). Hier worden verwarrend genoeg twee verschillende termen voor gebruikt. 1. Tellend vanaf de carboxyl groep wordt aangeduidt met delta. Dan zeg je delta9,12, 18:2 en dat betekent dan dat er twee dubbele bindingen zijn tussen 9‐10 en 12‐13 met een totale lengte van 18 C‐atomen. 2. Tellend vanaf de methylgroep (dus de niet functionele kant van het vetzuur) wordt aangeduidt met kleine letter omega. Omega6,9, 18:2 is precies hetzelfde molecuul als bij 1 alleen geteld vanaf de andere kant. Bij deze cursus wordt delta als aanduidt methode gebruikt. Zoogdieren bevatten geen enzymen die nodig zijn voor het introduceren van een dubbele binding voorbij het 9e C‐atoom. Om deze reden kunnen linolzuur en linoleenzuur niet gemaakt worden en zijn dus ook essentiële vetzuren die via het dieet binnen moeten komen. Deze stoffen zijn nodig voor de synthese van een groot aantal andere onverzadigde vetzuren, waaronder arachidonzuur welke gemaakt wordt door desaturatie (onverzadiging) en verlenging van linolzuur. Arachidonzuur is vervolgens weer een belangrijke stof voor weefselhormonen. Visolie is een belangrijke bron voor deze vetzuren. Afbraak van vetzuren Het belangrijkste product van de afbraak van vetzuren (triacylglycerol) is natuurlijk weer acetyl‐CoA. Met name in de spier en de lever vindt afbraak van vetten plaats, en sommige weefsel zijn er ook absoluut niet toe in staat zoals rode bloedcellen, hersenweefsel en adrenale medulla. 4 stappen: 1. Hydrolyse van triacylglycerol door lipase: dit vindt plaats in het celcytosol en levert uiteindelijk 1 glycerol en 3 vetzuren op. Lipase hydrolyseert de triacylglycerol op C1 en C3 positie waarbij 2 vetzuren en monoacylglycerol wordt gevormd. Vervolgens verwijderd een specifiek lipase het laatste vetzuur. Glycerol wordt naar de lever getransporteerd omdat vetweefsel geen glycerol kinase bevat wat nodig is voor de verdere behandeling. In de lever wordt de glycerol gefosforyleerd om gebruikt te worden om (heel dubbel!) triacylglycerollen te maken of via dihydroxyaceton fosfaat voor de gluconeogenese gebruikt te worden. De vetzuren worden of ook weer gebruikt om triacylglycerol van te maken of worden het bloed in gestuurd waar ze opgenomen kunnen worden voor oxidatie. 2. Activatie van vetzuren: voordat de vetzuren die in het bloed vrijkomen geoxideerd kunnen worden moeten ze geactiveert worden door binding van een CoA eraan (door vetzuur acyl synthetase), hierdoor wordt acyl CoA gevomrd. Dit gebeurd in het celcytosol. Aan het buitenmembraan (cytosollische kant) van het mitochondrion ben behoeft ATP. (NB: zelfde stap als bij triacylglycerol synthese!!!). bij gebruik van ATP worden Ppi (pyrofosfaat) en AMP gevormd maar de reactie snel onomkeerbaar gemaakt door de binding van Ppi aan twee vrije anorganische fosfaten (pyrofosfatase), waarbij nog een hoge energie verbinding wordt gebruikt. De activatie van vetzuren kost daarom 2 ATP. Door de binding aan CoA van het vetzuur kan deze niet door het membraan naar buiten en wordt dus ‘gevangen’ gehouden. 3. Transport in mitochondrion: de activatie van vetzuren is in het cytosol maar de beta oxidatie in het mitochondrion (matrix). Acyl CoA kan niet door het membraan en moet daarom getransporteerd worden. Dit gebeurd door de carnitine shuttle. De omzetting van carnitine in acyl carnitine en anderom gebeurd door carnitine acyl transferases I en II. Het in en uit transporteren gescheidt met behulp van translocase. 4. Bèta oxidatie. Hierbij vindt de eigenlijke oxidatie van acyl CoA plaats welke (uiteraard!) gebeurd in 4 stappen: a. Oxidatie: er komt een dubbele binding tussen C2 en C3 waarbij FADH2 gevormd wordt (elektron transport tot 1,5 ATP!!!). b. Hydratatie: er wordt een water toegevoegd tussen de dubbele binding op C2 en C3 (delta2‐enoyl‐CoA hydratase). c. Oxidatie door NAD+. De OH groep aan C3 wordt tot een ketogroep (=O) gevormd waarbij NADH (2,5 ATP) gevormd wordt. (NB: de bovenstaande 3 reacties zijn gelijkend aan de 3 laatste reacties van de krebcyclus waarbij succinate tot oxaalacetaat wordt omgezet). d. Thioloytische knipping van het molecuul wordt gedaan om acetyl CoA vrij te maken. Dit gebeurdt door thiolase waarbij steeds 2 c atomen worden vrijgemaakt. De cylcus herhaald zich dus totdat er alleen ecetyl CoA over is. Uiteindelijk komen er twee acetyl CoA’s vrij. De vrijgekomen Acetyl CoA kan gebruikt worden in de Krebcyclus en de lipogenese maar kan ook de basis vormen voor cholesterol of ketonlichamen: Cholesterol: Cholesterol heeft meerdere functies in het lichaam waaronder essentiëel component van het celmembraan, een precursus van 5 belangrijke steroïde hormonen, en een precursus voor galzuren en vitamine D. Hierdoor heeft het lichaam een zekere toevoer van cholesterol nodig. Cholesterol kan worden opgenomen via het dieet, of gesynthetiseerd worden door het lichaam. Er zijn reguleringsmechanisme die dieet intake en synthese op elkaar afstemmen, samen met natuurlijk het verbruik ervan. Dit is essentrieel om de levels op peil te houden, te veel cholesterol zorgt voor hart en vaatziekten. Cholesterol synthese: Dit vind plaats in het celcytosol en meestal in de lever. Het bestaat uit 27 C‐atomen welke afkomstig zijn van acetyl CoA. Synthese is verdeeld in 2 stadia: 1. Formatie van een isoprene unit a. 2 moleculen vormen 1 molecuul acetoacetylCoA (4C) door middel van condensatie thiolase b. HMG‐CoA synthase katalyseert een toevoeging van een extra acetyl CoA en vormt dus HMG‐CoA. HMG‐CoA is ook een intermediair voor de synthese van ketonlichamen. NB: ketonlichamen worden in het mitochondrium gevormd en cholesterol in het cytosol. De lever bevat om deze reden twee enzymen van HMG‐
CoA synthase: een cytosollische voor cholesterol en een mitochondriaal voor ketonlichamen. c. Een onomkeerbare stap en rate‐limiting: enzym HGM‐CoA reductase reduceert de HMG‐CoA naar mevalonaat. Dit gebeurd in het ER en heeft NADH als reducerend agent nodig. d. Mevalonaat wordt omgezet tot IPP waarbij 3 moleculen ATP nodig zijn. Zie schema voor details. Er vinden eerst twee fosforylaties plaats en vervolgens een carboxylering tot IPP. 2. Progressieve condensatie van een isoprene unit naar cholesterol dit stadium hoef je niet volledig te kennen, je moet wel weten dat uiteindelijk ui een 5c isoprene unit (IPP) 1 cholesterol gesynthetiseerd wordt!!! En dat dit gebeurd door CONDENSATIE. Ketonlichamen: Ketonlichamen worden uitsluitend in de lever gevormd en gebeurd voornamelijk wanneer de aanvoer van acetyl‐CoA door de afbraak van vetzuren groter is dan de afvoer. De afvoer (Kreb) wordt natuurlijk bepaald door de behoefte aan energie. Dus de ketonlichamen komen in beeld als wel vetzuren afgebroken worden maar deze niet gebruikt kan worden, hersenen!!!! Ketonlichamen, gevormd uit acetyl‐CoA kunnen als andere energiebron dienen en worden altijd in kleine hoeveelheden geproduceerd. Alleen tijdens vasten, enorme inspanning en ongecontroleerde diabetes worden ze in grote hoeveelheden geproduceerd (uitzondelijke situaties dus). Een grote hoeveelheid ketonlichamen zorgt ook voor een daling in bloed pH wat uiteraard niet goed is. Ketonlichamen zijn wateroplosbaar. Het brein kan geen gebruik maken van vetzuren als bouwstof aangezien deze niet de barrière doorkomen. In een doorvoede staat gebruikt het brein dan ook uitsluitend glucose. In tijden van vasten gebruiken de hersenen echter keton lichamen. Dit voorkomt dat teveel glucose nodig is, welke in die tijden afkomstig is van afbraak van spierweefsel. De spieren kunnen dus (tijdelijk) gespaard worden door gebruik van ketonlichamen. In staat van vasten is de productie even hoog als het gebruik wat de pH op peil houdt. Diabetes: als deze niet goed gecontroleerd wordt is er een glucose tekort. Dit leidt tot massale productie van ketonlichamen, en uitiendelijk ketoacidose, veel te lage bloed pH. Synthese van ketonlichamen: Ze worden geproduceerd uit acetyl‐CoA welke weer voornamelijk afkomstig is van de afbraak van vetzuren. Het vindt plaats in de mitochondria van de lever. Ketogenese: 1. 3 moleculen actyl coA vormen HMG‐coa (hetzelfde dus als bij cholesterol alleen dan in het mitochondrium). 2. HMG‐CoA wordt geknipt tot acetoacetaat. (hetzelfde dus als bij cholesterol alleen dan in het mitochondrium). 3. Acetoacetaat wordt gereduceerd tot 3‐hydroxybutyraat. Of dit gebeurt hangt af van het voorhanden zijn van NADH. 4. Acetoacetaat kan ook spontaan omgevormd worden (door carboxylering) naar aceton, maar dit gebeurt slechts weinig (kan aan adem geroken worden). Er zijn dus 3 ketonlichamen: acetoacetaat, 3‐hydroxybutyraat en aceton. De synthese van ketonlichamen wordt ook gecontroleerd, dit gebeurd met name door oxaalacetaat. In periode van vasten wordt de oxaalacetaat van de TCA direct doorgespeeld naar de gluconeogenese. Acetyl CoA kan hier dus niet meer aan binden om citraat te vormen nodig voor transport en wordt gebruikt om ketonlichamen te vormen. Naast het gebruik van ketonlichamen door de hersenen gebruikt ook spier en hartweefsel deze energiebron. Sterker nog, het hart heeft een voorkeur voor ketonlichamen boven glucose. De lever kan ketonlichamen niet als energiebron gebruiken (EXTRA HEPATISCH), omdat deze geen 3‐
ketoacyl CoA bevat welke noodzakelijk is om ze te kunnen afbreken. Rode bloedcellen aan de andere kant kunnen geen ketonlichamen produceren omdat ze geen mitochondria hebben. COLLEGE 14 Sommige aminozuren kunnen door een organimse zelf geproduceerd worden, waarbij de benoigdheid het alpha‐ketozuur nodig is. 11 van de 20 aminozuren kunnen op deze manier geproduceerd worden en heten dus ook niet‐essentiëel. De alpha‐ketozuren worden met behulp van aminotransferase omgezet in het bijbehorende aminozuur. Een voorbeeld hiervan is tyrosine, welke uit fenylalanine geproduceerd kan worden. Essentiële aminozuren kunnen niet door het lichaam zelf gemaakt worden en moeten dus via het dieet opgenomen worden of via de bacteriële activiteit in de darmen. fenylalanine is hier een voorbeeld van. Voor aminozuur metabolisme zijn twee belangrijke reacties nodig: transaminatie en oxidatieve determinatie. Transaminatie: aminotransferase katalyseert de reactie waarbij de alpha‐aminogroep (NH3+) van één aminozuur op het alpha‐ketozuur (pyruvaat, oxaalacetaat en meestal alpha‐ketoglutaraat) wordt geplaatst. Hierbij ontstaat een nieuw aminozuur en een nieuw alpha‐ketozuur (in het geval van alpha‐ketogutaraat ontstaat glutamaat). Alle reacties van deze soort zijn omkeerbaar. Aminotransferases worden terug gevonden in het cytosol en de mitochondria. Ze hebben pyridoxaal fosfaat (PLP) (derivaat van vitamine B6) nodig als cofactor. PLP is covalent gelinkt aan de lysine residu op de actieve site van het enzym en deelt mee in de reactie. De twee belanrgijkste aminotransferases zijn: aminotransferase (ALT) en aspartaat aminotransferase (AST). Aminotransferases zijn zeer belangrijk in het metabolisme. Ook bij aminozuurafbraak worden uiteindelijk alle aminozuren omgezet in alpha‐ketoglutaraat omdat alleen glutamaat oxidatieve deaminatie kan ondergaan. Oxidatieve deaminatie: Glutamaat dydrogenase verwijdert de aminogroep van glutamaat , waardoor het koolstof skelet achter blijft. De ammonia die gevormd wordt gaat de ureum cyclus binnen en het kooslatofskeletten kunnen allemaal dienen als TCA of glycolyse intermediair. Glutamate dehydrogenase is specifiek voor glutamaat en kan NAD en NADP als cofactor gebruiken. Het gebeurt in het mitochondrium. De reactie is reversibel en behoeft dus controle mechanismen. ATP en GTP inhiberen de reactie, GDP en ADP activeren het. De reden dat dit zo is, is dat wanneer de energielevels laag zijn, alpha‐
ketoglutaraat de Kreb in kan gaan om energie te genereren. Onderstaand komt een figuur waar de rest van de aminozuren aan bod komt, hier hoef je niet alles van te weten, wel een aantal zakn, zie onder figuur: Hiervan moet je weten dat: 1. 3‐P‐glyceraat serine kan vormen. 2. Pyruvaat omgezet kan worden in alanine 3. Oxaalacetaat reversibel in aspartaat omgezet kan worden, waarbij glutamaat als aminodonor fungeert (NB malaat aspartaat shuttle college 10!!!) 4. Alpha‐ketoglutaraat omgezet kan worden in glutamaat met behulp van glutamaat dehydrogenase en vrije ammonium ionen. Aminozuren zijn essentieel voor het lichaam o.a. voor eiwit synthese, maar heeft niet de mogelijkheid een overschot op te slaan zoals dat bij vet en glycogeen kan, ook niet in de vorm van eiwitreserve. Om deze reden wordt een teveel aan aminozuren ook direct gemetaboliseerd. Wel is het zo dat de reacties tussen eiwitsynthese en aminozuren niet stil staan, een evenwicht, waardoor dus eigenlijk aminozuren wel gebruikt worden en dan direct afgebroken en weer gebruikt, dit heet turnover van eiwitten, in Lim p. 93 staat een tabel van de turnoverweesfels. Het afbreken van aminozuren leidt tot een verlies aan stikstof (ureum) in het lichaam (weet je nog de NH3+ ging de ureum in...). Daarom moet een dieet ook aminozuren bevatten om deze stikstof aan te vullen. Als de inname evenveel is als het verlies is het lichaam in stikstof balans. een positieve balans is bij teveel inname, geassocieerd met zwanger, groei en herstelperioden. Negatieve stikstof balans wordt geassocieerd met ondervoeding, starvatie, post traumatische staat en tekort van één essentieel aminozuur (alle 20 zijn nodig voor eiwitsynthese). Ongeveer 1‐2% van de eiwitten in het lichaam ondervinden dagelijkse turnover. Dit verschilt wel per soort eiwit: een hoegere turnover voor regulerende eiwitten, een lage voor structurele (collageen0 eiwitten en middelmatig voor bijvoorbeeld hemaglobine. De aminozuren die teveel zijn in het lichaam worden afgebroken. Eerst wordt de aminogroep verwijderd, waarbij ammonia (NH3+) gevormd wordt. Omdat ammonia ontzettend giftig is wordt het omgezet in ureum, door de ureum cyclus, en uitgescheden via de urine. Verder is er een achtergelaten koosltof skelet (alpha‐ketozuur). Het grootste deel van aminodegradatie is in de lever. Het koolstofskelet (alpha‐ketozuur) wat achterblijft na verwijderen van de aminogroep wordt verder gekataboliseerd. Deze ketozuren verschillen erg van elkaar maar uiteindelijk worden hiervan altijd intermediairen van het metabolisme gevormd: pyruvaat, acetyl‐CoA, acetoacetyl CoA, alpha‐
ketoglutaraat, succinyl CoA, fumaraat en oxaalacetaat. Of deze intermediairen gebruikt worden om energie te genereren of opgeslagen worden als vet en glycogeen hangt af van de energiestatus van de cel. De aminozuren die worden afgebroken kunnen op basis van bovenstaande ook ingedeeld worden in twee groepen: 1. Ketogene aminozuren: deze aminozuren worden tot acetyl‐CoA of acetoacetyl‐CoA afgebroken en zijn dus in staat om ketonlichamen te vormen. 2. Glucogene aminozuren: deze aminozuren kunnen worden afgebroken tot pyruvaat of andere intermediairen van de Tca cylcus en kunnen dus via oxaalacetaat de gluconeogenese ingestuurd worden om glucose te vormen. Uiteindelijk kunnen de aminozuren dus energie maken, glucose maken (gluconeogenese), vetzuur maken of ketonlichamen. Verwijderen van de aminogroep: 1. Transdeaminatie: deze route is hetzelfde als boven beschreven, een transaminatie in het cystol en een oxidatieve deaminatie in het mitochondrium. (alpha‐ketoglutaraat accepteert een aminogroep van donor aminozuren, waarbij glutamaat gevormd wordt. De glutamaat gaat vervolgens het mitochondrium in waar het oxidatief gedamineerd wordt door glutamaat dehydrogenase om alpha‐ketoglutaraat en ammonium ionen te vormen (NH4+) in het water ammonia. Intermezzo: ammonium = NH4+; ammoniak= NH3+ + H+; ammonia (ammonium in water) = NH4+ + OH‐ 2. Transaminatie: eerst wordt de aminogroep naar een alpha‐ketoglutaraat getransporteert. Hierbij wordt gultamaat gevormd. Vervolgens wordt de aminogroep van glutamaat op oxaalacetaat geplaatst, waarbij aspartaat gevormd wordt. Aspartaat kan dan de ureumcyclus in waar het condenseert met citrulline. Deze twee aminogroepen vormen dan samen met CO2 ureum. Bij afbraak van de spieren worden de aminogroepen op alanine geplaatst, via een aminotrasnferase reactie. Hierbij wordt de aminogroep via pyruvaat naar alanine gemaakt. De alanine zorgt voor een veilig transportmiddel naar de lever (vrije NH4+ is giftig!!!) waarbij per trasnport 3 koolstof atomen (zie Alanine) getransporteerd wordt om aan de gluconeogenese deel te nemen. Het doel van deze cyclus is om de koolstof atomen van aminozuren uiteindelijk in glucose om te zetten; stikstof te elimineren als ureum en glucose terug te laten keren naar de perifere weefsels. Een deel van de gevormde alpha‐ketozuren worden werden in de spieren afgenroken en dus niet naar de lever vervoerd. In de lever wordt dus alanine met behulp van het lpha‐ketoglutaraat omgezet in pyruvaat en glutamaat. Een andere manier van transport van het koolstofskelet is via glutamine, waarbij glutamaat wordt omgezet in glutamine (toevoeging NH4+), via het bloed naar de lever gaat waar het door afsplitsing van NH4+ weer tot glutamaat gevormd wordt. De NH4+ die nodig is voor deze processen zijn afkomstig van glutamaat dehydrogenase. Formatie van ureum door de ornithine cylcus;: ureum wordt dus in de lever gevormd uit twee stikstofatomen, één afkomstig van de vrije stikstofgroep die door transdeaminatie gevormd wordt, één afkomstig van glutamaat (via aspartaat). Het gebeurd in de lever hepatocyten. De ureumcyclus begint in de mitochondria (eerste twee reacties) en de laatste 3 in het cytosol (5 reacties dus). Aangezien de gebruikte aspartaat in de ureumcyclus ook afkomstig is van glutamaat en de vrij NH4+ ook afkostig is van glutamaat wordt ureum uit beide stikstofatomen van glutamaat gevormd. Dus: stikstof 1 van glutamaat + NH4+ naar glutamine  glutamaat + NH4+ Stikstof 2: glutamaat + oxaalacetaat  aspartaat + alpha‐ketoglutarate (aspartaat‐malaat shuttle) COLLEGE 15 Nu hebben we alle stofwisselingspaden bekeken. Het is essentieel om alles te begrijpen om de kruispunten en intermediairen te begrijpen. Ook de regulatie van metabolisme is essentieel, omdat de intermediairen meerdere paden op kunnen, welke niet slechts door het recht van de sterkste bepaald worden. Belangrijke kruispunt intermediairen zijn: G‐6‐P; pyruvaat en acetyl‐CoA. (zie hiervoor ook je metabole kaart) Glucose  Glucose‐6‐fosfaat  glycolyse; glycogeen; PPP Fosfoenolpyruvaat; lactaat  Pyruvaat  lactaat; oxaalacetaat (gluconeogenese); acetyl‐coA Vetzuurafbraak; glycolyse, aminozuurafbraak  Acetyl‐coA  ketonlichamen; krebcyclus; citraat (vetzuursynthese); cholesterol Zoals je uit bovenstaand schema kunt zien bestaat er geen omzetting van vet in koolhydraat. Klopt dit? 1. Ja. De vetzuren die vrijkomen uit Triacylglycerollen kunnen inderdaad niet omgezet worden in koolhydraten. a. Acteyl coA kan niet in pyruvaat omgezet worden door te lage CO2 spanning in de cel b. Acetyl coA die de krebcyclus ingaat en omgezet wordt in oxaalacetaat kan niet worden gebruikt voor gluconeogenese omdat de netto productie van oxaalacetaat niet tot stand komt (alleen omzetting). 2. Nee. Het glyceroldeel dat vrijkomt bij afbraak van triacylglycerollen kan wel degelijk gebruikt worden voor de productie van koolhydraten. Glycerol wordt in dit geval geactiveerd met behulp van ATP waardoor glycerol‐3‐P gevormd wordt. De glycerol fosfaat shuttle kan deze G‐3‐P omzetten in dihydroxy aceton fosfaat (stap in de gluconeogenese college 11. De metabole profielen verschillen van per weefseltype. 1. Hersenen (neuronale cellen): energie voorziening door glucose, geen glycogeenvoorraad. Bij vasten ketonlichamen. 2. Spier (myocyten); Meeste preferentie voor energie via vetzuren. Bij snelle energiebehoefte dient glycogeen als bron, pyruvaat wordt dan lactaat. 3. Vetweefsel (adipocyten): de opslagplaats voor energie! bevat grote hoeveelheden TAG. Vetzuren afgebroken tot vetzuren en glycerol. 4. Lever (hepatocyten): de energieleverancier voor andere weefsels! produceert glucose uit eigen glycogeen of via gluconeogenese en ketogenese. De laatste twee kunnen uitsluitend in de lever plaatsvinden (bij langdurig vasten gluceneogenese evt ook door niercortex). ook heeft de lever mogelijkheid tot lipogenese, welke dan naar vetweefsel getransporteerd wordt. Lactaat kan bij niet‐herkauwers via de coricylcus kan dienen voor de gluconeogenese (in de lever!). Glycerol komt ook in de lever als substraat voor gluconeogenese. Glucogene aminozuren kunnen door middel van overdraging van de aminogroep op alpha‐
ketoglutaraat omgezet worden in glutamaat en pyruvaat, waaruit weer gluconeogenese gedaan kan worden. Dus 3 substraten van gluconeogenese bij niet‐herkauwers: lactaat, glucogene aminozuren en glycerol. Bij herkauwers kunnen bovengenoemde 3 stoffen ook als substraat dienen + proprionaat. Alle voedingsstoffen worden door pensbacteriën afgebroken tot acetaat, butyraat en proprionaat waarvan alleen proprionaat geschikt is voor de gluconeogenese. Proprionaat wordt via propionyl‐
CoA in succinyl‐CoA omgezet (intermediair kreb). Van de andere twee worden ketonlichamen en vetzuren gemaakt. Het vervoer van vetzuren gebeurt met behulp van lipoproteïnen. Glucose is nodig voor de opslag van vetzuren omdat de vezturen aan glycerol verbonden moeten worden. Bij de integratie van metabolisme spelen hormonen een belangrijke rol. Ze binden aan receptoren op het celmembraan of diffuseren direct de cel in waar een receptor bevinft. De drie belangrijkste hormonen die een rol spelen bij metabolisme zijn: glucogon, adrenaline en insuline: oorsprong trigger effect Doelwit Insuline Pancreas (alvleesklier) Hoge Anabool: Glycogeen in (beta cellen) glucose stimuleert de lever en spier levels in opslag van branstof TAG in vetcel bloed en stimuleert Eiwitsynthese in eiwitsynthese lever en spier Glucagon Pancreas (alpha cellen) Lage Katabool: Glycogeen in glucose stimuleert afgifte lever levels in brandstof aan Gluconeogenese bloed bloed in lever Vetzuurafbraak in vetcel adrenaline Bijniermerg/zenuweinden stress Katabool;: Afbraak stimuleert glycogeen in energievoorziening spiercel aan spier Afgiste vetzuren door vetcel. Laatste vraag van zelfstudie: - Synthese kost meer dan afbraak oplevert: glycogeenopslag - Metabolisme vereist initiële investering: eerste stappen glycolyse - Synthese langs andere weg daqn afbraak: gluconeogenese - Synthese en afbraak in ander organel: ketonlichamen - Overdracht van de energie in een binding naar de reactie ADP  ATP: elektronentransport. Vergeet niet de werkcolleges en voorbeeldtentamenvragen als ondersteuning bij deze samenvatting te gebruiken!!!