biochemie4

Mineralen

  • Micronutriënten (mineralen en sporenelementen) zijn in kleinere hoeveelheden nodig dan macronutriënten (koolhydraten, lipiden, eiwitten).
  • Leveren geen energie, maar zijn nodig voor energieproductie uit macronutriënten.
  • Hoeveelheden variëren van grammen (mineralen) tot microgrammen (sporenelementen).
  • Indeling volgens Voedingsaanbevelingen voor België 2016.
  • Mineralen: >0.01% van lichaamsgewicht; sporenelementen: enkele milligrammen.
  • Voor een persoon van 70 kg: mineralen > 7 gram.
  • Ongeveer 5% van het lichaamsgewicht bestaat uit mineralen, grotendeels in het beenderstelsel.

Indeling van mineralen

  • Mineralen:
    • Na+
    • K+
    • Mg2+
    • Ca2+
    • Cl-
    • Fosfaten
  • Oligomineralen
  • Sporenelementen:
    • Fe2+/Fe3+
    • Zn2+
    • Mangaan
    • Jodium
    • Selenium
    • Koper
  • Oligomineralen: lichaamsvoorraad van enkele grammen.
  • Mineralen en sporenelementen zijn niet gelijk verdeeld over intracellulaire vloeistof (ICV) en extracellulaire vloeistof (ECV).

Natrium en Chloor

  • Voornamelijk in ECV, in voeding als zout.
  • Belangrijk voor:
    • Bloeddrukregeling
    • Bloedvolume regeling
    • Elektrochemische gradiënt voor actief transport
    • Elektrische activiteit
    • Prikkelbaarheid van cellen
  • Hoge zoutinname → hypertensie (verhoogd bloedvolume en bloeddruk).
  • Gevolgen van hypertensie:
    • Atherosclerose
    • Cardiovasculaire aandoeningen (hartinfarct, beroerte, hersenbloeding)
    • Nierschade → chronische nierinsufficiëntie
    • Obesitas
    • Maagkanker (Japans onderzoek)
  • Zoutarm dieet vaak eerste stap bij hypertensie.
  • 50-60% van de patiënten is zoutgevoelig.
  • Gevoeligheid neemt toe met de leeftijd.
  • Tekort zeldzaam, kan ontstaan bij zoutverlies door diarree of zweten.

Kalium

  • Voornamelijk ICV aanwezig.
  • Functie: onderhouden elektrochemische gradiënt, prikkelgeleiding zenuwcellen.
  • Belangrijk voor hartfunctie: elektrische activiteit.
  • Hyperkaliëmie en hypokaliëmie → hartritmestoornissen, hartstilstand.
  • WHO adviseert meer kaliuminname.
  • Kaliumbronnen: peulvruchten, groenten, gedroogde vruchten.
  • Plantaardige voeding rijk aan voedingsvezels (bescherming tegen atherosclerose en cardiovasculaire aandoeningen).

Calcium

  • Toename voorraad van 15g tot 1200g van pasgeborene tot volwassene.
  • 99% in botten (minerale kristallen).
  • Calciumhydroxyapatiet: chemische formule is Ca5(PO4)3OH)2\text{Ca5(PO4)3OH)2}.
  • Resterende 1% buiten en in cellen (mitochondria, endoplasmatisch reticulum).
  • Kleine concentratiewijzigingen hebben grote invloed.
  • Functie: communicatie tussen cellen, vrijstelling signaalmoleculen.
  • Glucosegeïnduceerde insulinesecretie door betacellen pancreas: glucose → meer ATP → ATP-afhankelijke kaliumkanalen sluiten → gradiënt wijzigt → spanningsgevoelig calciumkanalen openen → calcium influx → insuline vrijstelling.
  • Regeling prikkelbaarheid cellen, invloed op hartslag.
  • Calciëmie geregeld door parathormoon, calcitonine en calcitriol (1,25-dihydroxycholecalciferol of vitamine D).
  • Opname verminderd door fytaten in granen, verhoogd door vitamine D.
  • Hypocalciëmie → spierkrampen; hypercalciëmie → spierzwakte, verkalkingen, nierstenen.

Fosfaten

  • Lichaamsvoorraad: ongeveer 800g, 85% in bot (calciumhydroxyapatiet).
  • Fosfaat: vrij of gebonden aan moleculen (eiwitten, aminozuren, membraanlipiden, nucleïnezuren).
  • Functie: bijdrage aan biochemische wegen. (zie Enzymen – regulatie).
  • Reversibele regulering door covalente modificatie van enzymen (fosforylering).
  • Bijdrage aan zuur-base homeostase in cellen.
  • Buffersysteem met fosfaten (zie Figuur 9-3).
  • Tekort zeldzaam, overschot komt vaker voor → nieren overbelast.
  • Calcium-fosfaat verhouding in bot (calciumhydroxyapatiet).
  • Te veel fosfaten (cola) → calcium vrijgemaakt uit bot → botafbraak.
  • Melk: calcium-fosfaat-balans van 2 (gunstig voor botvorming).

Magnesium

  • Voornamelijk in ICV.
  • Complex met ATP.
  • Invloed op Na-K-ATPase → magnesiumtekort → spierzwakte en vermoeidheid (neuromusculaire stoornissen).
  • Lage inname bij eenzijdige voeding (granen).
  • Fytaten in granen complexeren magnesium in de darm → minder opname → daalt de biologische beschikbaarheid.

Sporenelementen

  • Oligomineralen en sporenelementen samen besproken.

IJzer

  • Aanwezig in ECV en ICV.
  • Heemgroep van hemoglobine (zuurstoftransport in ECV).
  • Heemgroep van cytochroom P450-enzymen (CYP) in ICV.
    • CYP-enzymen: ATP vorming, detoxificatie.
  • IJzervoorraad: 3-4g.
  • Opname: 1-3mg per dag.
  • Compartimenten:
    • Hemoglobine in rode bloedcellen
    • Ferritine in milt, lever en beenmerg
    • Transferrine in bloedplasma
  • Ijzeropname: 10-20% van aangeboden ijzer in GI-stelsel.
  • Fytaten complexeren voedingsijzer → niet beschikbaar voor opname.
  • IJzer wordt opgenomen in de enterocyten, maar het stroomt niet verder door naar de bloedbaan.
  • Enterocyten hebben een korte levensduur en worden afgestoten = verlies van ijzer.
  • Heemijzer (Fe2+) en niet-heemijzer (Fe3+).
  • Niet-heemijzer moet gereduceerd worden tot Fe2+.
  • Dierlijk (heemijzer) wordt efficiënter geabsorbeerd dan plantaardig (niet-heemijzer).
  • Tekort → bloedarmoede (ferriprieve anemie).
  • Teveel:
    • Genetische aandoening (te korte levensduur rode bloedcellen)
    • Verhoogde inname (roestige potten in Afrika)
      • → ijzerstapeling → oxidatieve stress.

Zink

  • Belangrijk in kader van ondervoeding → zinktekort verantwoordelijk voor kindersterfte.
  • Zinkdeficiëntie belangrijke oorzaak van morbiditeit en mortaliteit in de tropen.
  • Vergroot risico op overlijden aan infectieziekten (malaria, virale diarree, longontsteking).
  • Zinksupplementen interessant voor onderzoek.
  • Voornamelijk in ICV: cofactor bij eiwitten.
  • Zink-vinger-eiwitten in DNA: transcriptie en translatie regulering.
  • Zink-transport-eiwitten (betacellen pancreas): transport van insuline → zinktekort kan leiden tot diabetes type 2.
  • Absorptie niet ideaal: ijzer interfereert met zinkopname.
  • Tijdens zwangerschap: efficiëntere opname (grotere vraag voor foetus).

Koper

  • Vooral in ICV: cofactor voor enzymen.
  • Enzymen in ademhalingsketen mitochondriën (ATP aanmaak, zuurstofverbruik).
  • Ademhalingsketen: complexen 1-2-3-4 + complex 5.
  • Complex 4 gebruikt koper als cofactor.
  • Zonder koper: minder ATP aanmaak.
  • Cofactor bij synthese van noradrenaline, afbraak neurotransmitters en synthese van melanine.
  • Koperdeficiëntie:
    • Zuigelingen (kunstmatige melkpreparaten)
    • Patiënten (totale parenterale voeding)
    • Genetische oorzaak: Menkes-syndroom (defect in koper opname door darmmucosa).

Jodium

  • Jodiumdeficiëntie treft bijna 40% van de wereldbevolking.
  • Belangrijk voor zwangere vrouwen (ontwikkeling foetus).
  • In ICV, maar voornamelijk in ECV.
  • Aanmaak schildklierhormonen (T3 en T4).
  • Tekort → schildklier vergroot (struma of krop) → normale hoeveelheid schildklierhormoon produceren.
  • Endemisch: jodiumgebrek hangt samen met minerale samenstelling van de bodem.
  • Bergachtige streken (jodiumarm), lager gelegen streken (jodiumarme bodem).
  • Voorbeelden: dorpen in de Alpen, provincie Utrecht, stad Aalborg in Denemarken.
  • Kunstmatige toevoeging jodium aan bakkerszout (België), keukenzout (Nederland, Denemarken) en chocolade (Zwitserland) → sterke vermindering van endemisch jodiumgebrek.
  • Jodiumtekort in West-Europa in vorige eeuwen:
    • Hypothyreoïdie (tekort aan schildklierhormoon)
    • Achterstand in motorische ontwikkeling
  • Te veel jodiumgebruik → hypothyreoïdie (remming productie schildklierhormonen).
  • Oorzaken: zeewier, voedingsmiddelen met zout versterkt met jodium.
  • Nauwe marge tussen normaal gebruik en te veel jodiumgebruik.

Selenium

  • Chemisch lijkt op zwavel → inbouw in eiwitten (selenoproteïnen).
  • 25 selenoproteïnen in menselijk lichaam.
  • Nodig voor goed functioneren van enzymen die betrokken zijn bij processen die ons lichaam herstellen van oxidatieve schade of voor enzymen die ons beschermen tegen oxidatie stress.
  • Tekort → ouderdomsziekten (kanker, atherosclerose, diabetes).
  • Selenoproteïnen gelinkt aan activeren en deactiveren schildklierhormonen.
  • Seleniumtekort → verminderde productie van actief schildklierhormoon.
  • Ondergrens toxische inname dicht bij bovengrens fysiologische inname.
  • Chronische overconsumptie:
    • Afbrekende nagels
    • Breekbaar haar.
  • Toxiciteitsgrens lager dan gedacht.
  • Diabetes en ALS (amyotrofische lateraalsclerose) worden uitgelokt bij concentraties die vroeger als veilig werden bestempeld.
  • Tolerabele bovengrens inname wordt mogelijk scherper bijgesteld.

Mangaan

  • Link biochemie en voeding → metaal is onderdeel van cruciale enzymen die betrokken zijn herstel van oxidatieve stress, de aanmaak van nieuw glucose en bij het aminozuurmetabolisme.
  • Voornamelijk in ICV.
  • Tekort → mensen die langdurig parenterale voeding innemen.
  • Overconsumptie → schade aan het zenuwstelsel.

De stofwisseling van de cel

Metabolisme: een inleiding

Biomoleculen als draaischijven van het metabolisme
  • Alle levende materie is opgebouwd met behulp van de vier hoofdgroepen biochemische bouwstenen: koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren.
  • In het menselijk lichaam vormen deze bouwstenen onderdelen van de cellen.
  • Elke lichaamscel kan beschouwd worden als een "miniatuurorganisme" dat op zichzelf reageert op prikkels van inwendige of uitwendige oorsprong.
  • De cel is van zijn omgeving gescheiden door een membraan, opgebouwd uit (fosfo)lipiden.
  • Eiwitten vormen de inwendige structuur van een cel (“cytoskelet”) en fungeren eveneens als katalysatoren van chemische reacties in het lichaam (enzymen).
  • Nucleïnezuren bevatten de genetische informatie en sturen de synthese van nieuwe eiwitten aan.
  • Koolhydraten leveren voornamelijk energie om de cel te laten functioneren, maar maken ook deel uit van het celmembraan onder de vorm van glycoconjungaten (o.a. glycoproteinen, glycolipiden).
De energiebehoefte van een cel
  • Om te kunnen functioneren heeft elk levend organisme voortdurend behoefte aan energie. Deze energie kan gebruikt worden om de lichaamstemperatuur op peil te houden, om arbeid te verrichten, te bewegen, lichaamseigen producten te maken (o.a. hormonen, eiwitten), zelfs denken kost energie!
  • Een organisme kan slechts in zijn geheel functioneren, als alle organen (en dus weefsels, en dus cellen) waaruit het is opgebouwd voldoende functioneren.
  • Onze lichaamscellen zijn daarom kleine chemische fabriekjes die – via een opeenvolging van reacties - organische moleculen afbreken om energie te verkrijgen.
  • De energie in voedingsbestanddelen (“potentiële energie”) wordt vrijgemaakt door een verbranding met O2O_2, waarna deze energie dan meestal tijdelijk opgeslagen wordt onder de vorm van ATP (“biologisch bruikbare energie”).
  • Deze oxidatie gebeurt in de mitochondriën, zij worden dan ook terecht de brandstofcentrales van een cel genoemd.
  • Cellen in het menselijk lichaam hebben dus zowel voedingsstoffen als zuurstof nodig om energie te kunnen vrijmaken.
  • Zuurstof wordt in de longen opgenomen, en voedingsstoffen (nutriënten) worden verkregen door opname vanuit het spijsverteringskanaal.
  • Het bloedvatenstelsel staat in voor het transport van zuurstof en voedingsstoffen naar cellen in het lichaam.
  • Met de energie uit het ATP kunnen cellen groeien, zich delen, samentrekken, klierproducten afgeven en andere weefselspecifieke functies uitoefenen.
Anabolisme en katabolisme
  • Het ganse gamma aan chemische reacties die in een cel kunnen doorgaan, bundelt men onder de term “stofwisseling” of “metabolisme” .
  • De flexibiliteit en nauwkeurige regeling van deze stofwisselingsreacties, zorgen ervoor dat het organisme gezond blijft.
  • We onderscheiden:
    • Katabolisme: de afbraak van macromoleculen (eiwitten, koolhydraten en vetten) tot de bouwstenen waaruit ze zijn opgebouwd, en de verbranding van deze bouwstenen, met als doel hier nuttige energie uit te halen en zo de levensfuncties te garanderen
    • Anabolisme: het energievragend proces waarbij de eerder vermelde bouwstenen worden aaneengeschakeld tot nieuwe macromoleculen zoals eiwitten, nucleïnezuren, glycogeen en triglyceriden. Deze bouwstenen kan men dan hetzij zelf maken, hetzij uit de voeding opnemen. De gevormde macromoleculen zijn bedoeld om versleten moleculen te vervangen (structureel onderhoud en herstel), om netto nieuwe moleculen bij te maken voor de groei, of om een reserve op te bouwen voor crisistijden.
  • Dit deel van de biochemie wordt ook de “dynamische biochemie” genoemd, omwille van de flexibiliteit en nauwkeurige regeling van deze stofwisselingsreacties.
Metabole stofwisselingsroutes
  • De humane stofwisseling wordt vaak voorgesteld a.d.h.v. een “metabole kaart” .
  • Voor een beginnende student lijkt dit vaak een nietszeggende warboel, maar een gevorderd student kan hierin snel enkele belangrijke “metabole wegen” in herkennen.
  • Een metabole weg is een aaneenschakeling van chemische reacties (“stappen”) vertrekkende van molecule A (= de metabole voorloper) en eindigend bij molecule D (= het eindproduct).
  • De volgorde van de stappen is niet willekeurig: metabole paden volgen een vastliggende structuur.
  • Elke stap wordt bovendien gekatalyseerd door een specifiek enzym.
De metabole kaart
  • Je kan deze kaart bekijken als een stratennetwerk met enkele kruispunten.
  • De straten stellen dan afzonderlijke metabole wegen voor, en het “kruispunt” is dan een intermediaire molecule die verschillende wegen kan opgaan.
  • Een stratennetwerk heeft verkeerslichten en verkeersdrempels nodig om de snelheid van het verkeer te regelen.
  • De verkeersdoorstroming op punt X betekent dan “de hoeveelheid auto’s die per tijdseenheid punt X kunnen passeren” .
  • Analoog definieert men de “metabole flux” als de hoeveelheid substraat die per tijdseenheid per cel een metabole stap passeert.
  • Aangezien elke metabole stap gekatalyseerd wordt door een specifiek enzym, wordt de metabole flux vaak bepaald door deze enzymen:
    • Hoe meer enzym aanwezig, hoe meer substraten er tegelijk omgezet kunnen worden. (Analoog: meer rijvakken op de weg  meer verkeersdoorstroming)
    • Enzymactiviteit kan gestimuleerd of geïnhibeerd worden (allosterisch of via covalente modificatie), waardoor de metabole flux t.h.v. die stap stijgt, respectievelijk daalt. (Analoog: verkeerslichten op de weg op rood  minder verkeersdoorstroming)
    • Een enzym kan geblokkeerd worden, zodat de metabole flux volledig stopt. (Analoog: een verkeersblokkade op de weg  file achter de blokkade, geen verkeer voor de blokkade)
  • Meestal wordt de flux in een bepaalde metabole weg bepaald door één of slechts enkele regelbare enzymen op deze weg.
  • We noemen deze laatste dan fluxbepalende enzymen, of snelheidsbeperkende enzymen.
  • Net zoals een weggebruiker heel goed dient te weten waar de knelpunten op een traject zullen zijn, zal een goed begrip van het metabolisme een kennis van deze fluxbepalende enzymen vereisen.
  • In sommige straten heerst eenrichtingsverkeer; wanneer men toch de omgekeerde route wenst te volgen, moet je soms een eind omrijden.
  • Analoog kunnen chemische reacties in metabole wegen reversibel of irreversibel zijn.
  • Zo kan bv. de weg gevolgd voor afbraak van glucose tot pyruvaat (= de glycolyse) niet omgekeerd gebruikt worden om vanuit pyruvaat nieuw glucose te maken (= gluconeogenese).
  • Er zullen een aantal “omwegen” dienen genomen te worden, om irreversibele reacties uit de glycolyse te omzeilen.
  • En onthoud: als je een reis maakt met de wagen, is het belangrijk enkele belangrijke “tussenstops” te weten, alsook jouw eindbestemming. Het is echter niet essentieel dat je alle namen kent van alle dorpjes die je passeert.
Het metabolisme garandeert homeostase in verschillende situaties
  • Elk organisme heeft een basis energieverbruik, nodig voor het onderhoud van de levensfuncties.
  • Dit wordt het basaal metabolisme of de basale metabole snelheid (BMR) genoemd.
  • Meer dan 60% van de energie-uitgave van het basale metabolisme gebeurt door de lever (chemische synthese), hersenen (elektrische excitatie van zenuwen), nieren (werking van ionenpompen in de niertubuli) en het hart (spiercontractie).
  • Sommige dieren zijn in staat hun basaal metabolisme in een soort “slaaptoestand” te houden, en zo minimaal energie verbruiken in een periode waarin voedsel schaars is.
  • Wanneer er opnieuw voedsel gevonden wordt, zal het metabolisme enorm versnellen. Denk maar aan slangen die vele maanden kunnen hongeren om vervolgens een gigantische maaltijd te verorberen.
  • Bovenop deze BMR komt het energieverbruik nodig voor:
    • De werking van het spijsverteringsstelsel: vertering van voedsel, resorptie van bestanddelen en verwerking ervan in het metabolisme
    • De werking van het spierstelsel: skeletspiercontractie vergt een grote hoeveelheid ATP
  • Daarenboven is de energiebehoefte van een organisme niet constant, maar afhankelijk van (o.a.):
    • Weefseltype: hartspierweefsel vergt voor zijn functie (spiercontractie) meer ATP dan botweefsel, wat een quasi zuiver structurele functie in het lichaam uitoefent.
    • Fysiologische toestand: een organisme in rust heeft een lagere energiebehoefte dan een organisme tijdens fysieke inspanning.
    • Leeftijd: een kind heeft een hogere energiebehoefte dan een volgroeide volwassene
    • …
  • Elke metabole weg beschikt over één of meerdere irreversibele stappen, die dan meestal ook de snelheidsbeperkende stappen zijn.
  • Enzymen die deze reacties katalyseren zijn strikt gereguleerd, zodat de flux doorheen de metabole weg aangepast is aan de behoefte van een individuele cel op dat moment.
  • Bovendien mogen de synthese en afbraak van eenzelfde bestanddeel (bv. glycogeen) niet tegelijkertijd doorgaan; dit zou immers pompen zijn met de kraan open.

Basisprincipes van de bio-energetica

  • We weten al dat het lichaam energie haalt uit de verbranding van nutriënten op celniveau.
  • Wanneer een biochemicus een dergelijke reactie van een levende cel wil nabootsen in een reageerbuis, zal hij de optimale werkcondities kiezen waarbij alleen de gewenste reactie doorgaat, terwijl alternatieve reacties vermeden worden.
  • Hierbij worden dan vaak gewerkt bij hoge temperatuur, extreme pH, onder voortdurend schudden, verhoogde druk, in organische solventen, …
  • In een levend organisme zijn de omgevingsfactoren zeer mild: neutrale pH, lage druk, waterig midden, lichaamstemperatuur, lage conc. substraat, …
  • En toch kan het lichaam de reactie laten doorgaan (vaak nog véél efficiënter dan in een proefbuis) doordat voor elke biochemische reactie een gepaste katalysator (een enzym) bestaat.
  • Bij elke chemische reactie treedt een energieverandering op.
    • De reactie kan exergoon zijn, d.w.z. er wordt energie vrijgesteld (\Delta G<0). Hoewel enkele deelstappen endergoon kunnen zijn, stellen de (meeste) katabole processen in het lichaam uiteindelijk energie vrij.
    • De reactie kan ook endergoon zijn, d.w.z. er wordt energie aan de omgeving onttrokken (\Delta G>0). Voor de synthese van nieuwe verbindingen, het anabolisme, heeft het lichaam energie nodig. De meeste reacties in anabole processen zijn dan ook energievragend.
Energieverandering bij katabole processen
  • De gangbare manier waarop het lichaam energie haalt uit voedingsstoffen, is door oxidatie van koolwaterstoffen (zoals suikers, lipiden en in mindere mate ook eiwitten).
  • Bekijken we even wat dit geeft voor de oxidatie van glucose:
  • C<em>6H</em>12O<em>6+6O</em>2→6CO<em>2+6H</em>2O+2872kJC<em>6H</em>{12}O<em>6 + 6 O</em>2 \rightarrow 6 CO<em>2 + 6 H</em>2O + 2872 \text{kJ}
  • Bij deze reactie komt heel veel warmte vrij.
  • Deze energie kan en mag niet als dusdanig vrijkomen in het organisme of de lichaamstemperatuur zou niet constant kunnen gehouden worden.
  • Slechts een klein deel van de vrijgestelde energie komt in het lichaam vrij onder de vorm van warmte, de rest wordt opgeslagen onder de vorm van chemische energie, nl. in energierijke verbindingen zoals ATP.
  • Bij het verbrandingsproces van koolwaterstoffen, bestaan er enkele fundamentele verschillen wanneer je deze verbranding uitvoert in een verbrandingsoven, dan wel in een lichaamscel.
    1) De verbrandingsoven: KWS worden in één stap geoxideerd in een kachel, waarbij een grote activeringsenergie dient overwonnen worden. In de kachel geeft men die activeringsenergie o.v.v. de warmte van een lucifer. De energie die vrijgesteld wordt bij de verbranding, komt allemaal vrij o.v.v. warmte.
    2) De lichaamscel: KWS worden stapsgewijs geoxideerd in een cel. De activeringsenergie horend bij de aparte stappen is klein, door de aanwezigheid van specifieke enzymen. De energie wordt dan ook niet in één keer vrijgesteld, maar stapsgewijs. Bovendien wordt de energie niet vrijgesteld o.v.v. warmte, maar wel o.v.v. energierijke elektronendragers zoals NADH en FADH2, die dan op hun beurt hun energie doorgeven aan ATP.
Energieverandering bij anabole processen
  • Voor de synthese van nieuwe verbindingen heeft het lichaam energie nodig.
  • De meeste reacties uit anabole stofwisselingsroutes zijn dan ook endergoon, en zouden onder normale omstandigheden in het lichaam niet kunnen doorgaan.
  • Door echter een voldoende exergone reactie te koppelen aan een endergone reactie, wordt het totale proces exergoon en zal het dus toch spontaan in het lichaam kunnen doorgaan.
  • Dit noemen we “koppelen van reacties” en vormt de basis van alle anabole processen in het lichaam.
  • Illustreren we dit met een voorbeeld:
  • Eén van de eerste stappen in de biochemische afbraak van glucose, is de koppeling van glucose met een fosfaatgroep, tot glucose-6-fosfaat.
  • glucose + fosfaat → glucose-6-fosfaat ΔG=+13,8 kJ/mol\text{glucose + fosfaat } \rightarrow \text{ glucose-6-fosfaat } \Delta G = +13,8 \text{ kJ/mol}
  • Deze reactie is licht endergoon, met ΔG=+13,8 kJ/mol\Delta G = +13,8 \text{ kJ/mol}.
  • adenosinetrifosfaat (ATP) + H2O→ adenosinedifosfaat (ADP) + fosfaat + energyΔG=−30,5 kJ/mol\text{adenosinetrifosfaat (ATP) + } H_2O \rightarrow \text{ adenosinedifosfaat (ADP) + fosfaat + energy} \Delta G = - 30,5 \text{ kJ/mol}
  • Deze reactie is sterk exergoon, met ΔG=−30,5 kJ/mol\Delta G = -30,5 \text{ kJ/mol}.
  • Worden beide reacties gekoppeld, dan krijgen we een exergone reactie:
  • glucose + ATP → glucose-6-fosfaat + ADPΔG=−16,7 kJ/mol\text{glucose + ATP } \rightarrow \text{ glucose-6-fosfaat + ADP} \Delta G = -16,7 \text{ kJ/mol}
  • De energie, of warmte, die vrijkomt bij afsplitsing van een fosfaatgroep van ATP, wordt deels gebruikt om de koppeling van die fosfaatgroep met glucose te laten doorgaan.

Katabolisme en anabolisme: een overzicht

  • Binnen het katabolisme worden de lipiden, polysacchariden en eiwitten omgezet tot AcetylCoA
  • Binnen het anabolisme heb je bouwstenen, reducerend vermogen en energie nodig.
Katabolisme
  • De afbraak van voedingsstoffen begint bij de vertering:
  • in de holte van het spijsverteringskanaal breken specifieke enzymen (hydrolasen) de grote macromoleculen af tot hun kleinere bestanddelen via hydrolysereacties.
    • Lipiden worden door het pancreaslipase afgebroken tot glycerol en vetzuren.
    • Polysacchariden worden door het speeksel- en pancreasamylase, het maltase en lactase, afgebroken tot monosacchariden.
    • Eiwitten worden door de maagenzymen (pepsine) en de pancreasenzymen voor eiwitvertering (trypsine, chymotrypsine, peptidasen) afgebroken tot peptiden en uiteindelijk aminozuren.
  • Eens de kleine bestanddelen opgenomen zijn in het lichaam, kunnen ze naar individuele cellen worden vervoerd om geoxideerd te worden.
    • Glucose wordt via de glycolyse afgebroken tot pyruvaat, en verder tot acetylCoA.
    • Vetzuren worden via β-oxidatie in de mitochondriën omgezet tot acetylCoA.
    • Aminozuren worden via diverse afbraakreacties omgezet tot acetylCoA.
  • AcetylCoA is een centraal intermediair, dat verder verwerkt wordt in de mitochondriën via de Krebscyclus, ook wel de citroenzuurcyclus genoemd.
  • Dit levert dan veel elektronendragers op (NADH en FADH2), die dan uiteindelijk de elektronen overdragen op O2O_2 in de elektronentransportketen.
  • Dit gebeurt via een stapsgewijze overdracht van elektronen in het binnenste mitochondriaal celmembraan.
  • Hierbij worden protonen in de intermembranaire ruimte van de mitochondriën gepompt, en de terugkeer van protonen naar de mitochondriale matrix zet een “ATP-synthase pomp” in werking.
  • Hierbij wordt een fosfaatgroep (Pi) gekoppeld aan ADP (“fosforylering”), wat uiteindelijk ATP oplevert.
  • Deze laatste processen (elektronentransportketen, fosforylering van ADP, oxidatie van O<em>2O<em>2 tot H</em>2OH</em>2O) hangen nauw samen, en men gebruikt voor dit geheel ook nog de namen: oxidatieve fosforylering, of de ademhalingsketen.
Anabolisme
  • De synthese van nieuwe eiwitten en nucleïnezuren is voor cellen een bijzondere bezigheid, die onder meer zorgt voor het aanwezig zijn van alle benodigde enzymen en hun regelende eiwitten.
  • De benodigdheden voor deze anabole paden zijn globaal in te delen als:
    1) Bouwstenen
    2) Energie (ATP)
    3) Reducerend vermogen
  • De bouwstenen kunnen direct “gerecycleerd” worden uit reserves in de cel, of kunnen door de cel helemaal opnieuw aangemaakt worden:
    • Glucose kunnen we zelf opnieuw aanmaken uitgaande van glucogene aminozuren, glycerol of lactaat. Deze anabole stofwisselingsroute heet gluconeogenese.
    • Glucose kunnen we ook ophalen uit het glycogeen, een aaneenschakeling van glucosemoleculen die als een glucosereserve opgeslagen wordt door lever- en spiercellen. Dit proces heet glycogenolyse.
    • Sommige aminozuren kunnen we zelf synthetiseren uitgaande van andere aminozuren, of uitgaande van diverse intermediairen van de Krebscyclus (aminozuursynthese). De aminozuren die we niet kunnen aanmaken, moeten we verplicht uit onze voeding halen. Dit zijn de “essentiële aminozuren” .
    • Vetzuren kunnen we zelf aanmaken uitgaande van acetylCoA (vetzuursynthese).
    • Vetzuren kunnen we ook ophalen uit vetreserves, opgeslagen in het vetweefsel. Hiervoor dienen de triglyceriden in het vetweefsel eerst gesplitst te worden in glycerol en vetzuren door een geschikt lipase.
  • Deze bouwstenen kunnen dan nog gebruikt worden om macromoleculen te vormen:
    • Lever- en spiercellen kunnen een reservevoorraad glucose aanleggen, door veel glucosemoleculen te koppelen aan elkaar. Dit glucosepolymeer heet glycogeen, het anabool proces waarbij glycogeen wordt gevormd, heet glycogenese.
    • De aaneenschakeling van aminozuren tot specifieke eiwitten gebeurt t.h.v. de ribosomen. De nucleïnezuursequentie van een bepaald stukje RNA bepaalt de aminozuurvolgorde in een eiwit. Dit proces heet translatie.
    • Vetzuren kunnen gekoppeld worden aan glycerol, en opgeslagen worden als energiereserve o.v.v. vetdruppels in vetweefsel (adipocyten).
  • De energie voor anabole processen haalt de cel uit zijn voorraad ATP.
  • Wanneer ATP gesplitst wordt tot ADP en anorganisch fosfaat (Pi), komt er 30 kJ/mol energie vrij, welke dan gebruikt wordt om endergone processen te laten doorgaan.
  • Het