hoofdstuk 06 - audesirk

Energy Flow in the Life of a Cell

Hoofdstuk 06

2010/2011

ENERGIEDeel 1

2

Energiestromen

energie

energie

energie

3

Energiestromen

• Leven is gebaseerd op chemische reacties

– Het transformeren van energie van de ene vorm in de andere vorm

Organische stoffenATP & organische stoffen

organische stoffen ATP & organische stoffen

zon

zonne-energieATP & organische stoffen 4

Metabolisme

• Chemische reacties van het leven

– Vormen van bindingen tussen moleculen• condensatiereactie

• synthese

• anabole reacties

– Breken van bindingen tussen moleculen• hydrolyse

• vertering

• katabole reacties

5

Voorbeelden

• condensatie (synthese)

• hydrolyse (vertering)

enzym

enzym

6

Chemische reacties & energie

• Sommige chemische reacties geven energie

– exergoon

– verteren van polymeren

– hydrolyse = katabolisme

• Sommige chemische reacties kosten energie

– endergoon

– bouwen van polymeren

– condensatie = anabolisme

7

Endergoon vs. exergoon

exergoon endergoon- energie komt vrij- vertering

- kost energie- synthese

8

Energie & leven

• Organismen hebben energie nodig om te leven– waar komt deze energie vandaan?

• koppelen van exergone reacties (energie komt vrij) met

endergone reacties (energie nodig)

+ + energie

+ energie+

vertering

synthese

9

ATP

ATPDeel 2

10

ATP

• Adenosine TriFosfaat– aangepaste nucleotide

• nucleotide =adenine + ribose + Pi AMP

• AMP + Pi ADP

• ADP + Pi ATP

– toevoegen van fosfaten is endergoon

11

Hoe slaat ATP energie op?

• Elke volgende negatieve PO4 is moeilijker toe te voegen– veel energie opgeslagen in elke binding

• de meeste energie zit in de 3e Pi

• Binding van negatieve Pi groepen zijn onstabiel– Pi groepen laten makkelijk los & laten energie vrij

12

P

O–

O–

O

–O P

O–

O–

O

–O P

O–

O–

O

–OP

O–

O–

O

–O P

O–

O–

O

–OP

O–

O–

O

–O P

O–

O–

O

–O P

O–

O–

O

–O

ADPATPAMP

How draagt ATP energie over?

• ATP ADP– energie komt vrij

• ∆G = -7.3 kcal/mol

• Brandstof voor andere reacties

13

P

O–

O–

O

–O P

O–

O–

O

–O P

O–

O–

O

–O 7.3kcal/mol

+P

O–

O–

O

–O

ADPATP

ATP / ADP cyclus

• ATP kan niet opgeslagen worden

– goede energie donor, maar niet geschikt voor opslag• te reactief

• alleen korte termijn opslag

• koolhydraten en vetten voor lange termijn opslag

14

ENZYMENDeel 3

15

Wat stuurt reacties?

• Als reacties “downhill” verlopen, waaromgebeuren ze dan niet spontaan?

– covalente bindingen zijn stabiele bindingen

zetmeel

16

Activeringsenergie

• Het afbreken van grote moleculen vereist het toevoegen van energie

– activeringsenergie

– grote moleculen zijn stabiel

– moeten energie absorberen om bindingen te verbreken

energiecellulose CO2 + H2O + warmte

17

Teveel activeringsenergie

• Activeringsenergie– hoeveelheid energie die nodig is om een atoombinding

te destabiliseren

– duwt de reactie over de “energieheuvel”

glucose

18

Verminderen van activeringsenergie

• Katalysator

– vermindert de activeringsenergie

reactant

product

zonder katalysator

met katalysator

NIEUWE activeringsenergie

19

Katalysatoren

• Wat moet een cel doen om de activeringsenergiete verlagen?

– enzymen

G

20

Enzymen

• Biologische katalysator – eiwitten

– maken chemische reacties mogelijk• verhogen reactiesnelheid zonder verbruikt te worden

• verlagen activeringsenergie

– noodzakelijk voor de meester biologische reacties

– zeer specifiek• duizenden verschillende enzymen in de cel

21

Terminologie

substraat• reactant die aan het enzym bindt

• enzym-substraat complex: tijdelijke verbinding

product• resultaat van de reactie

actieve zijde• hier bindt het substraat aan het enzym

substraat

enzym

productactieve zijde

22

Eigenschappen van enzymen

• Specifiek– elk enzym heeft een specifiek substraat

• Niet verbruikt in de reactie– een enzymmolecuul kan duizenden reacties per seconde

katalyseren

• Onder invloed van omstandigheden in de cel– factoren die de structuur van een eiwit beïnvloeden

• temperatuur, pH, saliniteit

23

Naamgeving

• Enzymen vernoemd naar de reactie die ze katalyseren

– sucrase breekt sucrose af

– proteasen breken eiwitten af

– lipasen breken vetten af

– DNA polymerase bouwt DNA

24

Sleutel en slot model

• Gesimplificeerd model van enzymwerking– substraat past in de 3-D structuur van de actieve zijde

van een enzym

– “sleutel past in het slot”

25

Hoe werkt een enzym?

• Verschillende mechanismen verlagen de activeringsenergie en versnellen de reactie

– synthese• actieve zijde positioneert substraten in de juiste positie voor een

reactie– enzym brengt substraten dichter bij elkaar

– vertering• actieve zijde bindt substraten en oefent druk uit op de

bindingen die verbroken moeten worden

26

Reguleren enzymwerking

• Enzymconcentratie

• Substraatconcentratie

• Temperatuur

• pH

• Saliniteit

• Activator

• Inhibitor

katalase27

Enzymconcentratie

enzymconcentratie

reac

tie

sne

lhe

id

28

Reguleren enzymwerking

• Enzymconcentratie– enzym = reactiesnelheid

• meer enzym = meer interactie met substraat

– reactiesnelheid neemt uiteindelijk niet meer toe• substraat is de limiterende factor

• niet alle enzymmoleculen vinden een substraat

enzymconcentratie

reac

tie

sne

lhe

id

29

Substraatconcentratie

substraatconcentratie

reac

tie

sne

lhe

id

30

Reguleren enzymwerking

• Substraatconcentratie– substraat = reactiesnelheid

• meer substraat = meer interactie met enzym

– reactiesnelheid neemt uiteindelijk niet meer toe• alle enzymen zijn gebonden aan substraat

• maximale reactiesnelheid

31substraatconcentratie

reac

tie

sne

lhe

id

37°

Temperatuur

temperatuur

rea

cti

esn

elh

eid

32

Reguleren enzymwerking

• Temperatuur– Optimum T°

• grootste aantal botsingen tussen enzym en substraat

• menselijke enzymen = 35°- 40°C – lichaamstemperatuur = 37°C

– Warmte: stijging boven optimum T°• meer energie leidt op moleculair niveau tot verstoren van

bindingen van enzymen en tussen enzymen en substraat

• denaturatie = verlies 3D vorm (tertiaire structuur)

– Kou: daling onder optimum T°• moleculen bewegen langzamer

• minder botsingen tussen enzym en substraat

33

Enzymen en temperatuur

• Verschillende enzymen functioneren in verschillendeorganismen bij verschillende temperaturen

37°Ctemperatuur

reacti

esn

ele

id

70°C

enzym mensenzym bacterie

warmwater bron

34

Ectotherm

35

7

pH

pH

reac

tie

sne

lhe

id

20 1 3 4 5 6 8 9 10

pepsine trypsine

11 12 13 14

pepsine

trypsine

36

Reguleren enzymwerking

• pH– veranderingen in pH

• toevoegen of verwijderen van H+

• verstoort bindingen, verstoort 3D vorm– verstoort aantrekking tussen geladen aminozuren

– beïnvloedt 2° & 3° structuur

– denaturatie van het eiwit

– optimale pH?• voor de meeste enzymen van de mens = pH 6-8

– afhankelijk van lokale omstandigheden

– pepsine (maag) = pH 2-3

– trypsine (dunne darm) = pH 8

720 1 3 4 5 6 8 9 10 1137

Saliniteit

zoutconcentratie

reac

tie

sne

lhe

id

38

Reguleren enzymwerking

• Zoutconcentratie

– veranderingen in saliniteit• toevoegen of verwijderen van kationen (+) & anionen (–)

• verstoort bindingen, verstoort 3D vorm– verstoort aantrekking tussen geladen aminozuren

– beïnvloedt 2° & 3° structuur

– denaturatie van het eiwit

– enzymen zijn niet tolerant voor extreme saliniteit• Dode Zee heet niet voor niets zo!

39

Verbindingen die enzymen helpen

• Activator– cofactor

• niet-eiwit, kleine inorganische verbindingen/ionen– Mg, K, Ca, Zn, Fe, Cu

– gebonden in het enzym

– coenzym• niet-eiwit, organische verbinding

– bind tijdelijk of permanent in de buurt van de actieve zijde

• veel vitaminen– NAD (niacin; B3)

– FAD (riboflavin; B2)

– Coenzym A Mg inchlorofyl

Fe inhemoglobine

40

Verbindingen die enzymen reguleren

• Inhibitor

– moleculen die de enzymactiviteit reduceren• competitieve inhibitie

• niet-competitieve inhibitie

• irreversibele inhibitie

• feedback inhibitie (negatieve terugkoppeling)

41

Competitieve inhibitie

• Inhibitor & substraat “vechten” voor actieve zijde– penicilline

• blokkeert enzym van een bacterie om celwanden te bouwen

– disulfiram (Antabus)• behandelt chronisch alcoholisme

• blokkeert enzym wat alcohol afbreekt

• ernstige kater & overgeven5-10 minuten na drinken

• Oplossing: – verhogen van substraat concentratie

• bij hoge substraatconcentratie wint hetsubstraat de competitie voor de actievezijde van het enzym

42

Niet-competitieve inhibitie

• Inhibitor bind aan een andere zijde dan de actieve zijde

– allosterische inhibitor bindt aan allosterische zijde

– veroorzaakt vormverandering enzym• actieve zijde functioneert niet meer

– enzym inactief

– sommige anti-kanker medicijnen

• remmen enzymen die betrokken zijn bij DNA synthese

• DNA productie stopt

• deling tumorcellen stopt

– cyanide

• remt Cytochroom C, een enzym watbetrokken is bij de dissimilatie

• ATP productie stopt

43

Irreversibele inhibitie

• Inhibitor permanent gebonden aan enzym

– competitie• permanent gebonden aan actieve zijde

– allosterisch• permanent gebonden allosterische zijde

• permanente verandering van de vorm van het enzym

• zenuwgas, sarin, veel insecticiden (malathion, parathion…)– acetylcholinesterase inhibitoren

» geen afbraak van de neurotransmitter acetylcholine

44

Metabole pathway

A B C D E F G

45

enzym

1

enzym

2

enzym

3

enzym

4

enzym

5

enzym

6

• Chemische reacties wordenuitgevoerd als pathways

• verdeling van een chemischereactie in kleine stappen gevolg van evolutie

controle = regulatie

A B C D E F G

enzym

Feedback inhibitie

• Regulatie & coördinatie van de productie

– product wordt gebruikt in de volgende stap van de pathway

– eindproduct is een inhibitor van een eerdere stap• allosterische inhibitie van een eerder enzym

• feedback inhibitie

– geen onnodige accumulatie van een product

A B C D E F G

enzym

1

enzym

2

enzym

3

enzym

4

enzym

5

enzym

6X

46allosterische inhibitie van enzym 1

Feedback inhibitie

• Voorbeeld– synthese van het

aminozuur isoleucine uithet aminozuur threonine

– isoleucine wordt de allosterische inhibitor van de eerste stap in de pathway• als de concentratie van

isoleucine stijgt botst het enzym vaker met isoleucinedan met threonine

threonine

isoleucine47

Einde