Bij dissimilatie van organische stoffen komt de

VWO 5 Stofwisseling
Verzuurde spieren
Marianne Vos is een coole wielrenster die door het hele boek van VWO zal voorkomen, dus ken die
vrouw maar goed of een voldoende komt niet zo snel tegemoet.
Spieren verzuren van zuurstof te kort wanneer je langer gaat hardlopen dan 12 minuten. In de
spieren wordt chemische energie uit glucose omgezet in kinetische energie, hierbij is zuurstof nodig.
Bij inspanning boven je grens van VO2 max is in de spiervezels onvoldoende zuurstof beschikbaar om
alle benodigde energie te verkrijgen uit de omzetting van glucose in koolstofdioxide en water. Er
ontstaat dan melkzuur.
Stofwisseling in cellen
Het geheel van chemische omzettingsprocessen in de cellen van een organisme is de stofwisseling of
wel het metabolisme. Enzymen zijn organische stoffen die stofwisselingsprocessen versnellen zonder
zelf verbruikt te worden en maken de omzettingsprocessen mogelijk. Cellen met chlorofyl kunnen
energie in de vorm van licht opnemen. Chemische energie is de energie in energierijke stoffen.
Opname uit omgeving
Grondstoffen
→
Energie
→
Cel
Stofwisseling:
- Assimilatie
- Dissimilatie
→
→
→
Afgifte aan omgeving
Onbruikbare stoffen
Warmte
De opbouw van organische moleculen uit kleinere moleculen noem je assimilatie. Organische stoffen
(koolhydraten, vetten, eiwitten en DNA) vormen de cellen van organismen en kunnen dienen als
brandstof, reservestof, bouwstof of informatiedrager. Bij assimilatie is veel energie nodig om de
energierijke bindingen tot stand te brengen. De afbraak van organische moleculen noemen we
dissimilatie, hierbij komt energie vrij. De energie die vrijkomt kan gebruikt worden voor assimilatie
of andere processen zoals transport. Verbranding in de cellen is een dissimilatieproces waarbij
zuurstof wordt verbruikt. De brandstof voor deze verbanding is meestal glucose.
Bij organische stoffen bevatten de moleculen een of meer ketens van koolstofatomen. Veel
voorkomende atomen zijn: H C O N S P, glucose is een voorbeeld van een organische stof. Bij
anorganische stoffen bevatten de moleculen vaak niet meer dan enkele of zelfs geen
koolstofatomen, koolstofdioxide is een voorbeeld van een anorganische stof.
Organismen die uit koolstofdioxide en water glucose kunnen vormen zijn autotroof, voorbeelden van
zulke organismen zijn planten en cyanobacteriën. Dit proces noemen we koolstofassimilatie, hier is
energie voor nodig. De energie die wordt gebruikt bij de vorming van glucose is licht (fotosynthese).
Heterotrofe organismen zijn niet instaat om uit anorganische stoffen, organische stoffen te vormen
en moeten dus energie behalen uit voedsel. Voortgezette assimilatie is de omzetting van producten
van de koolstofassimilatie (glucose) in andere organische stoffen (koolhydraten, vetten, eiwitten en
DNA).
ATP (adenosinetrifosfaat) wordt gevorm bij de fotosynthese in de chloroplasten en bij de
verbranding in mitochondriën, deze moleculen transporteren chemische energie naar plaatsen in de
cel waar energie nodig is. ATP is een nucleotide, een van de bouwstenen van nucleïnezuren. ATP
bestaat uit adenosine (adenine en
ribose) en drie fosfaatgroepen.
Wanneer de derde P wordt
afgesplitst komt er veel energie vrij
en ontstaat ADP. ATP kan worden
gevormd bij dissimilatiereacties en
bij lichtreacties van de fotosynthese.
De energie van deze processen bind
ADP aan P. Dit noemen we
fosforylering.
Assimilatie en de handhaving v/d bouw van een organisme zijn alleen mogelijk door een
voortdurende toevoer van energie uit de omgeving. De geordende bouw en geregelde stofwisseling
zijn gebaseerd op informatie, die afkomstig is van buiten de cel en aanwezig is binnen de cel. Cellen
reageren op veranderingen. Informatie in de DNA-moleculen beïnvloedt de bouw en de
stofwisseling, de informatie over de bouw en werking v/d cel wordt va het DNA overgegeven aan een
nieuwe generatie. Leven is ontstaan uit niet-leven (biogenese). Sinds hun eerste ontstaan beschikken
cellen waarschijnlijk al over enkele basiskenmerken. Aanwijzingen hiervoor zijn gevonden in
experimenten. In de niet-levende natuur kunnen met behulp van energie eenvoudige organische
stoffen worden gevormd uit anorganische stoffen. Uit eenvoudige organische stoffen kunnen
blaasjes worden gevormd waarin zich RNA bevindt. DE molecuulstructuur van informatiedragers en
energiedragers zoals NAD+, DNA en ATP in moderne cellen, vertoont grote overeenkomsten met de
structuur van RNA.
Enzymen
Enzymen katalyseren stofwisselingsreacties zonder daarbij zelf te worden verbruikt, de
enzymactiviteit is bepalend voor het verloop v/d stofwisseling. Enzymen zijn eiwitten en hun
ruimtelijke vorm heft daardoor veel knikken en lussen, in een bepaald deel van het molecuul bevindt
zich het actieve centrum, hier vindt de reactie plaats, waarop één bepaald substraat kan inwerken.
Op het moment van binding ontstaat heel even een E-S-complex. Het enzym ATPase werkt in up het
substraat ATP. Sommige enzymen hebben een cofactor nodig om werkzaam te zijn. Als de cofactor
een organische stof is wordt het en co-enzym genoemd.
-
Cofactor: bv een metaalion of een vitamine
Co-enzym: bv een vitamine, een hormoon, NADP of ATP
Apo-enzym: het enzymmolecuul met het actieve centrum
Bij chemisch reacties peelt de temperatuur een belangrijke rol, bij een lage T bewegen de moleculen
een stuk trager en komt de reactie minder snel tot stand. Er moet een energiedrempel worden
overschreden om de reactie plaats te laten vinden, de toegevoerde energie noemen we de
activeringsenergie. De chemische energie die bij de verbranding in warmt eis omgezet noemen we
de reactie-energie. Door inwerking van een enzym op een substraat, waarbij een E-S-complex wordt
gevormd wordt de energiedrempel verlaagd en zal er dus een lagere activeringsenergie nodig zijn.
Enzymactiviteit is de snelheid waarmee een enzym een reactie versnelt. Deze kan worden uitgedrukt
in de hoeveelheid substraat die per tijdseenheid wordt omgezet of de hoeveelheid reactieproduct
dat per tijdseenheid ontstaat. De enzymactiviteit kan worden afgeleid uit de tijd die ene bepaalde
hoeveelheid enzym nodig heeft om een bepaalde hoeveelheid substraat om te zetten. De
temperatuur beïnvloedt de enzymactiviteit volgens een optimumkromme. Bij hogere T zetten
intacte enzymmoleculen sneller substraat moleculen om, maar bij een te hoge T verliezen
enzymmoleculen hun specifieke ruimtelijk structuur, dit noemen we denatureren, dit proces in
onomkeerbaar. Ook de zuurgraad of pH beïnvloedt de enzymactiviteit volgens een
optimumkrommen. Een positieve oplossing is zuur (pH lager dan 7), een negatieve oplossing is
basisch (pH hoger dan 7), de ruimtelijke structuur van enzymmoleculen blijft alleen bij een bepaalde
pH in stand.
Enzymactiviteiten kunnen worden verhoogd of verlaagd door stoffen waarvan e moleculen bindingen
aangaan met enzymmoleculen → ruimtelijke structuur + eigenschappen van enzymmoleculen
veranderen → enzymactiviteit verhoogd of verlaagd. Een activator is een stof die de enzymactiviteit
verhoogd (E-S-complexen worden sneller gevormd). Stoffen die de enzymactiviteit verlagen worden
remstoffen genoemd. Enzymatische reacties maken meestal deel uit van een groter geheel van
stofwisselingsreacties, een activator of remstof heeft dan invloed op het gehele proces.
Koolstofassimilatie
De reactievergelijking van fotosynthese is:
6CO2 + 6H20 + energie → C6H12O6 + 6O2
Foto-autotrofe organismen verkrijgen de energie voor de
koolstofassimilatie uit licht, deze vorm van koolstofassimilatie noemen
we fotosynthese. Chlorofyl bevindt zich in de membranen in de
chloroplasten. De factor die de maximale intensiteit van de fotosynthese
bepaalt, wordt de beperkende factor genoemd. Chlorofyl absorbeert
verschillende
golflengten uit
zichtbaar licht en
reflecteert de golflengte met de kleur groen.
Absorptiespectrum is een weergave van de
geabsorbeerde golflengtes.
Fotosysteem II splits water in 2H+, 2e- en ½ O2. De
waterstofionen komen terecht in het
thylakoïdruimte, de electronen worden in de PSIIenergierijk gemaakt en worden vervoerd naar het
PSI Waar deze worden gebruikt voor de reactie
+
+
van NADP + H + 2e tot NADPH. Bij een te hoge concentratie NADPH worden de elektronen gewoon
niet overgedragen aan NADP+. De enzymen gebruiken de energie van deze elektronen om meer
protonen op te nemen, omdat het elektron steeds terugkeert nar zijn plaats in de
elektronentransportketen, spreekt men van cyclische fotofosforylering. De waterstofionen worden
gebruikt als energiebron voor het
enzym ATP-synthase, hierbij wordt
ADP gebonden aan P tot ATP. De
energie uit ATP is nodig voor de
vorming van glucose in de
donkerreactie en andere processen in
de cel.
De donkerreacties vinden plaats in de
vloeistof (stroma) in de chloroplasten.
Bij de vorming van 1 glucosemolecuul
zijn er 24 H+ (waarvan 12 in de donker
reactie) nodig.
Beginstoffen:
6CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6H2O +6O2
Chemosynthese is de vorm van
koolstofassimilatie die gebruikmaakt van de
energie die vrijkomt bij de oxidatie vaneen
anorganische stof. Dit komt bijvoorbeeld
voor bij bepaalde bacteriën, deze noemen
we chemo-autotroof. Chemo-autotrofe
zwavelbacteriën leven bij zwavelbronnen op
de bodem van oceanen, deze oxideren
waterstofsulfide tot zwavel.
Zwaveloxidatie:
2H2S + O2 → 2H2O + 2S + energie
2S + 2H2O + 3O2 → 2H2SO4 + energie
Nitrietoxidatie:
2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + energie
Nitraatoxidatie:
2NO2 + O2 → 2NO3 + energie
Nitriet en nitraat bacteriën worden ook wel nitrificerende bacteriën genoemd.
Voortgezette assimilatie
De vorming van organische stoffen zoals koolhydraten, eiwitten, vetten en DNA uit glucose, stikstof
en fosfor wordt voortgezette assimilatie genoemd. Bij de verbranding van glucose wordt ATP
gevormd, dit levert de energie voor de voortgezette assimilatie. Monosachariden zijn enkelvoudige
suiker, dit betekent dat ze vijf of zes C-atomen bevatten. Door de OH-groepen aan de koolstofketen
is glucose goed oplosbaar in water. Van ringvormige glucosemoleculen bestaan twee vormen α (OH
onder) en β (OH boven). Deze verschillen van elkaar in de positie van de OH-groep aan het eerste C-
atoom. Uit monosachariden kunnen disachariden worden gevormd, hierbij komt water vrij. Door
polymerisatie worden polimeren gevormd, zoals amylose, hierbij worden vele monosachariden aan
elkaar gelegd. Bij α moleculen zal de polymeren een spiraal vormen doordat de hoeken tussen de
moleculen dezelfde kant op wijzen. Een glycogeen is en sterk vertakte α polymeer Bij β moleculen
ontstaat een polymeer meet een zigzag vorm
door de constante hoek verandering, hierdoor
ontstaat een stevige structuur.
Eiwitten kunnen veel verschillende functies in
een organisme vervullen (zie tabel):
Eiwitgroepen
Functie
Enzymen
Katalyseren van reacties
Structuureiwitten
Geven vorm aan weefsels en cellen
Membraaneiwitten
Transport tussen cel en omgeving
Receptoreiwitten
Communicatie met cel omgeving
Transporteiwitten
Transport van stoffen in bloedplasma en osmoseregulatie
Antistoffen
Immuniteit
Stollingseiwitten
Bloedstolling
Eiwitten zijn polymeren van enkele tientallen tot eer dan duizend aminozuren. Een aminozuur bevat
een centraal C-atoom met daaraan gebonden een aminogroep (NH2/ basisch/ polair), een
carboxylgroep (COOH/ zuur/ polair), een H-atoom en een restgroep, aminozuren lossen goed op in
water. Planten kunnen aminozuren assimileren uit glucose en nitraationen. Dieren kunnen alleen
aminozuren assimileren uit andere aminozuren. Bij polymerisatie van sachariden, aminozuren en
nucleïnezuren ontstaat water. De binding tussen de carboxylgroep van het ene aminozuur en de
aminogroep van de andere wordt en peptidebinding genoemd. Twee aminozuren noem je
dipeptide, meer dan twee is een polypeptide.
1. Primaire structuur – de aminozuurvolgorde
2. Secundaire structuur – de α-helix
3. Tertiaire structuur – een globinemolecuul
4. Quartaire structuur – een hemoglobine molecuul (meerdere globinemoleculen)
Vetten worden ook wel lipiden (onverzadigd vet) genoemd (warmbloedige – opgeslagen in
onderhuids bindweefsel), vetten dienen als bouwstof in membranen en als brandstof
(reservebrandstof/ warmte isolatie). Vet lost niet op in water→ osmotische werking bij opslag is
laag. Energiedichtheid is hoog, vetten met functie van een hormoon worden steroïdehormonen
genoemd. Een vetmolecuul is opgebouwd uit glycerol en drie vetzuren (bij fosfolipiden is één vetzuur
vervangen door fosforzuur) bij de reactie ontstaat 3H2O (zie afb 53 blz. 40). Verzadigde vetzuren
bevatten de koolstofketen het maximale aantal H-atomen, bij onverzadigde vetzuren komen er
dubbele bindingen voor door de afwezigheid van 1 of meer H -atomen.
Celmembranen zijn opgebouwd uit fosfolipiden, bij fosfolipiden is één vetzuur vervangen door een
fosfaatgroep, pi. Door de knikken in de onverzadigde vetzuren ontstaat een onregelmatige bouw,
waardoor een membraan erg plooibaar is. Cholesterol is een vetachtige stof. Vetzuurstaarten zijn
hydrofoob/ apolair.
Dissimilatie
Bij dissimilatie van organische stoffen komt de energie die bij assimilatie is vastgelegd, weer
beschikbaar.
Bij aerobe dissimilatie van glucose vinden de volgende drie opeenvolgende reacties plaats:
 De glycolyse. Hierbij wordt en
glucosemolecuul in twee
pyrodruivenzuur moleculen gesplitst
(C6H12O6→ C3H4O3). De glycolyse vindt
plaats in het cytoplasma, de
pyrodruivenzuur moleculen passeren het
membraan van de mitochondrium via
actief transport. Bij de glycolyse komt er
netto 2 ATP beschikbaar en 2 NADH met
behulp van de H-atomen.
 De citroenzuurcyclus deze vindt plaats in de
matrix (alles 2x omdat 1 glucose→ 2 pyro).
Stap 1: pyrodruivenzuur bindt aan het coenzym A tot acetyl-CoA, hierbij wordt CO2
afgesplitst en een NADH-molecuul gevormd.
De restgroep van twee C-atomen wordt
opgenomen in de citroenzuurcyclus waarbij
citroenzuur ontstaat. Het co-enzym A komt
beschikbaar voor het volgende pyro. Bij de
dissimilatie van 1 pyro: komt 3 CO2, 4

NADH, 1 FADH en 1 ATP vrij.
De oxidatieve fosforylering. De
elektronentransportketen vervoerd het
gemaakte NADH en FADH2 door de
verschillende elektronen receptoren in het binnen membraan. Hierbij geven zij hun Hatomen af. Door het concentratieverschil komen de H-atomen door het eiwit ATP synthase
terug, hierbij wordt de
energie uit het H-atoom
gebruikt voor de synthese
van ATP. Et H-atoom komt
uiteindelijk terecht in een
watermolecuul.
De energieopbrengst v/d dissimilatie
Voor 1 glucose
Glycolyse
Citroenzuurcyclus
Oxidatieve
Totaal
fosforylering
NADH
2
8
0
10
FADH
0
2
0
2
ATP
2
2
34 (uitomzetting NADH, FADH) 38
Bij transport is ook nog energie nodig, de netto-opbrengst ATP is daarom 30-32 ATP per
glucosemolecuul.
Bij de anaerobe dissimilatie van glucose is er sprake van gisting. Hierbij zetten gisten
pyrodruivenzuur om in ethanol (alcoholgisting) en melkzuurbacteriën zetten pyrodruivenzuur om in
melkzuur, dit noemen we melkzuurgisting. Cellen die hun energie door gisting verkrijgen zetten
NADH om in NAD+ en andersom! Dit gebeurt door de vorming van ethanol of melkzuur uit
pyrodruivenzuur (gevormd bij de glycolyse). Dus wat doen we nou na de glycolyse bij gisting? Simpel
we maken weer NAD+ en gaan eeuwig door! Hier is hoe: Stap 1: één v/d drie koolstofatomen van
pyro wordt afgesplitst → CO2. Stap 2: reactie NADH tot NAD+ (H-atoom wordt aan ethanol
afgegeven). Stap 3: BOEMBALABIMBALABATS je hebt ethanol.
Na de glycolyse in melkzuurbacteriën vindt melkzuurgisting plaats om de NAD+ terug te winnen,
hierbij geeft het NADH-molecuul een H-atoom af aan de pyro voor de omzetting tot melkzuur.
Ook bij veel dieren kan melkzuur ontstaan, vooral in de spieren. Dit vindt plaats wanneer eer snel
energie vrij moet komen. Er vindt in dit geval alleen maar glycolyse plaats. Er wordt nu per
glucosemolecuul maar weinig energie gemaakt, hierdoor wordt er veel glucose gedissimileerd. Na
afloop van e inspanning wordt het melkzuur afgevoerd naar de lever. Daar wordt het met behulp van
zuurstof en ATP weer in glucose omgezet.
Koolhydraten worden voor de dissimilatie omgezet in monosachariden zoals glucose.
Eiwitten worden eerst gesplitst in aminozuren, hiervan wordt de aminogroep afgesplitst en omgezet
in ammoniak. De overblijvende koolstofketen wordt omgezet in pyrodruivenzuur.
Vetten worden gesplitst in glycerol en vetzuren. Glycerol wordt omgezet in pyrodruivenzuur en bij de
vetzuren worden C2-moleculenafgesplitst en omgezet in azijnzuur.
Basale metabolisme is de stofwisseling van een individu in rust, de intensiteit van het basale
metabolisme is afhankelijk van: het gewicht, de leeftijd, het geslacht, de lichaamstemperatuur (bij
homoiotherme dieren is die constant, bij poikilotherme dieren is die ongeveer gelijk aan der
omgevingstemperatuur) en de tijd van het jaar/ tijdstip van de dag. De intensiteit van het basale
metabolisme kan worden uitgedrukt in het aantal kilogram verbruikte zuurstof per minuut per
kilogram lichaamsgewicht.