Biochemische principes Hans V. Westerhoff

Biochemische principes

Hans V. Westerhoff Biochemische principes

Leerstof: • Voet, Voet & Pratt: Fundamentals of Biochemistry (1999 editie) • Hoofdstukken 13-17, 21 (zie syllabus voor details) • Syllabus: de principes van het metabolisme (III.A-E) • Syllabus: • Sheets college via blackboard en: http://www.bio.vu.nl/hwconf/teaching Biochemische principes

Leerstof: • Voet, Voet & Pratt: Fundamentals of Biochemistry (1999 editie) • Hoofdstukken 13-17, 21 (zie syllabus voor details) • Syllabus: de principes van het metabolisme (III.A-E) • Syllabus: • Sheets college via blackboard en: http://www.bio.vu.nl/hwconf/teaching Biochemische principes

Collegeschema Colleges zijn van 12h30 – 14h30 (met uitzondering van 28-10; dan zijn ze van 10h00-12h00), Voor docent en onderwerp: zie tabel in syllabus


Collegeschema 2003


Biochemie 2003: rol van colleges • Alle stof staat in syllabus plus de daarin aangegeven delen van het boek • Alle op het tentamen gevraagde stof wordt expliciet behandeld op college of practicum Collegestof << Boekstof • Weten maar vooral begrijpen! Biochemische principes

Biochemische principes op het wwweb • Oefententamen en sheets college zie: • Blackboard of • http://www.bio.vu.nl/hwconf/teaching/


De principes van het metabolisme • A. Algemene principes • B. Koolstof- en energie metabolisme • C. Controle en regulatie • D. Redox • E. De balans opmakend Biochemische principes

De plaats van de biochemie in de wetenschap sociologie

ecologie

macrobiologie Medische biologie microbiologie Biochemie, biofysica, moleculaire biologie chemie


fysica

Een cel ziet er niet uit als zak enzymen;een bacterie niet


Een gistcel ook niet


Een levende cel doet meer dan biochemie, nl ‘leven’, maar wat is dat?



Replicerende zelfgecoordineerde autonome machine


Een levende cel onderscheidt zich van zijn omgeving; actief


‘Gewoon een zak enzymen?’ • Metabolisme • Gibbs energie transductie • Transport

• • • •

Transcriptie Translatie Replicatie Signalering

Alles geschiedt door enzymen…… dus…. Inderdaad ….?? Een principe


Wat gaan we doen: metabole routes uit het hoofd leren?


Wat gaan we doen: Principes begrijpen en herkennen!


A1. Het balansprincipe voor een organisme • indien er meer nodig is dan opgenomen kan worden dan moet het gemaakt worden • Toename is netto opname plus netto productie

∆X = ∆ e X + ∆ i X Biochemische principes

A2. De zelfwerkzaamheid van het leven • Levende organismen maken bijna alle stoffen die ze nodig hebben zelf • Oorzaak: – heel veel verschillende stoffen nodig – Komen bijna nooit allemaal in medium voor in goede relatieve concentraties – Kunnen membraan niet passeren Biochemische principes

A2. De zelfwerkzaamheid van het leven Levende organismen maken bijna alle chemische verbindingen die ze

Fig. 13-1

nodig hebben zelf

! (uitzondering: vitamines)


A2. De zelfwerkzaamheid van het leven

Fig. 13-1 Dus niet: hele eiwitten opeten en gebruiken! Biochemische principes

A3. Elke reactie wordt gekatalyseerd door een eiwit • Ongekatalyseerde processen meestal te traag • Enzym • Genproduct

Fig. Page 356


A4. Water is overal Meeste levensstoffen zijn hydrofiel Fig. P22, Fig 1-6 Biochemische principes

A4. Water is overal Meeste levensstoffen zijn hydrofiel


A5. Hydrofobe membranen om ‘alles’ bijeen te houden Meeste levensstoffen zijn hydrofiel

Fig 10-10


A6. Subcompartimentatie Functie: Incompatibele reacties gescheiden Biochemie onder mee dan een conditie (pH) Vrije energie over membraan (electrische potentiaal) Nadeel: Extra transport nodig Biochemische principes

A6. Subcompartimentatie

Fig. 19-19


A7. Transport over biologische membranen wordt gekatalyseerd door een eiwit

• Translocator / transporteiwit / kanaal • Snelheden anders te laag

Fig. 10-36, 10-37


A8. Actief versus passief transport • Passief: • Wel gekatalyseerd • Geen aandrijving met Gibbs energie

• Actief: • Gekoppeld aan vrije energie afstaande reactie Biochemische principes

A9. Het betaalprincipe • bij 500 voedingstoffen en 500 benodigde stoffen zouden er 500x500 = 250 000 chemische reacties • ruilhandel moet een slager met vlees betalen als hij melk bij de melkboer haalt • economie gebaseerd op geld • Voedsel omzetten in eenvoudige bouwstenen (betaalmiddelen) Biochemische principes

A9. Het betaalprincipe

Fig. 19-19


A10. Het balansprincipe voor metabole routes en processen ∆ e ATP = 0, ∆ e NADH = 0

∆ i ATP = 0, ∆ i NADH = 0 Evenveel ATP gemaakt als afgebroken-nodig Biochemische voor principes biosynthese

A11. Antiparallel actief en passief transport

∆X = 0, ∆ e X = 0, ∆ i X = 0 Biochemische principes

A12. Elementen kunnen niet gemaakt worden, verbindingen wel ∆ i ,element ≡ 0 H, C, N, O, P, S, Ca, Mg, Na, K en Cl

verbindingen bv glucose C6H12O6


A13. Zelf energie maken, de thermodynamische beperkingen • behoud van energie U • Gibbs vrije energie, het effectieve arbeidsvermogen: G=U + PV –TS • Bij processen die lopen gaat altijd wat Gibbs vrije energie verloren :

∆ iG < 0 Biochemische principes

A13. Zelf energie maken, de thermodynamische beperkingen

∆X = ∆ e X + ∆ i X

∆ eG = − ∆ i G > 0 in steady state Biochemische principes

A14. Meer dan 1 betaalmiddel nodig; voor elke relevante behoudswet tenminste 1


A15. Veel betaalmiddelen reizen op dragers


A16. Betaalmiddelen voor elementen


A17. Betaalmiddelen geleverd door katabole routes


A17. Betaalmiddelen geleverd door katabole routes


A17. Betaalmidde len geleverd door katabole routes


A17. Betaalmiddel en geleverd door katabole routes


A17. Betaalmiddellen geleverd door katabole routes



B1. Metabolisme: van voedsel naar bouwstenen naar biomassa


B2. Overschotten worden uitgescheiden


B3. Geen zorg om behoud van protonen


B4.

ATP:

het dominante Gibbs energie betaalmiddel bij chemische reacties


B5. ATP en transmembraanprotonen: de dominante Gibbs energie betaalmiddelen bij actief transport


Redoxmetabolisme • Redox metabolisme: electron overdrachts reacties −

red1 ⇔ ox1 + n ⋅ e − red 2 ⇔ ox2 + n ⋅ e • Electronen willen van stoffen (koppels) met negatieve redox potentiaal naar stoffen (koppels) met (meer) positieve redox potentiaal

RT  ox   ox  10 ⋅ ln E = E °'+  = E °'+0.059⋅ log  nF  red   red  Biochemische principes

Redoxmetabolisme

Electronen willen dus bv. van NADH naar Biochemischeis, principes zuurstof, als er zuurstof of nitraat of sulfaat

B6. Twee soorten redoxmetabolisme, ademhaling en fermentatie • Indien electronen naar externe electron acceptor: ‘ademhaling’ • Indien electronen naar interne electronacceptor: ‘fermentatie’ – (bv. wijn, bier, brood, zuurkool)


B6. Twee soorten redoxmetabolisme, ademhaling en fermentatie


B7. Twee manieren om ATP te maken: protonkracht gedreven en substraatniveau fosforylering


B8. Hoogenergetische bindingen


B9. Bij fermentatie vindt vaak elektronverschuiving binnen het molecuul plaats








B10a. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen


B10a. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen glucose wordt gesplitst in twee glyceraldehyde moleculen


B10b. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Elk glyceraldehyde molecuul wordt intern gefermenteerd tot melkzuur


B10c. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Twee electronen worden tijdelijk geparkeerd op NADH. In de laatste stap worden deze electronen van NADH overgedragen op pyruvaat. Hierbij ontstaat melkzuur (=lactaat). Biochemische principes

B10d. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Fosfaat groepen worden gebonden om de Gibbs energie te oogsten. Fosfaat bindingen worden omgevormd tot hoge energie bindingen.


B10e. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Eerste twee fosfaten worden gebonden aan het molecuul in de C6 vorm.

Investering van Gibbs vrije energie.


B10f. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Tweede set fosfaten wordt gebonden tegelijkertijd met de dehydrogenase stap.

Hoog energie fosfaten worden overgedragen op Biochemische principes ADP.

B10g. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen Netto resultaat: 2 ATP per glucose molecuul 2 lactaat per glucose molecuul

De route naar lactaat wordt gevolgd door: - menselijke rode bloedcellen (bevatten geen mitochondriën) - spiercellen als ze te weinig zuurstof hebben Biochemische principes

B10h. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen

Gistcellen zetten pyruvaat om in ethanol. Biochemische principes

B10. Fermentatieve glycolyse gebruikt de volgende mechanismen


B11. Enzymen verlagen ∆G#


B12. Beperkt aantal types biochemische reactie • redox reacties (oxidoreductases; dehydrogenases) • groepsverdracht, gekatalyseerd door transferases • de vorming van een binding onder gebruik maken van de Gibbs vrije energie van ATP hydrolyse, gekatalyseerd door ligases (=‘synthetases’) • isomerases • hydrolases • eliminatie van een groep onder vorming van een dubbele binding in het achterblijvende molecuul, gekatalyseerd door de lyases (=‘synthases’) Biochemische principes

B12. Beperkt aantal types biochemische reactie • • • • • •


oxidoreductases transferases ligases isomerases hydrolases lyases

B12. Beperkt aantal types biochemische reactie


B13.Metabole paden bewerkstelligen gecompliceerde omzettingen

De snelheden van de opvolgende stappen moet gelijk zijn, opdat de concentraties van de intermediaire stoffen niet blijven toenemen (of afnemen); het metabole pad moet in steady state opereren. De metabole stroom erdoorheen heet dan de flux. Biochemische principes

B14. Metabole routes bevatten irreversible stappen


B15. Tegengestelde routes bij afbraak en synthese







C1. Controle versus regulatie • Goede waardes stromen en concentraties • Wat controleert de flux of concentratie? Wat bepaalt/beperkt de grootte van de flux of concentraties?

• Wat reguleert de flux of concentratie? Hoe wordt de grootte

van de flux of de hoogte van een concentratie bijgesteld als de behoefte wijzigt? Biochemische principes

C2. Controle coëfficiënt: precisering van hoe sterk de controle is Enzym is onbelangrijk

Enzym is belangrijk

Flux versus enzyme activity 1 0.5 0 0

0.5

1

1.5


2

2.5

C2. Controle coëfficiënt: precisering van hoe sterk de controle is

percentage increase in fluxJ C ≡ percentage increase in enzyme activity J i

Flux versus enzyme activity 1 0.5 0 0

0.5

1

1.5


2

2.5

C3. Flux controle zit niet per se in de irreversibele stappen

?

?

? Biochemische principes

C4. Flux regulatie door regulatie enzymactiviteit C4. De flux door een metabole route kan gereguleerd worden door de enzymactiviteit van een of meerdere enzymen met flux controle te reguleren (Fig. 141, 17-23). Bij grote regulatie is het laatste effectiever, omdat flux controle anders gauw verschuift. Biochemische principes

C5. Elk eiwit wordt gecodeerd door een gen

DNA RNA Enzyme Chemical 1

Process Biochemische principes

Second law of Biology DNA

Every enzyme is encoded by a gene

RNA Enzyme Chemical 1

Process Biochemische principes

C6 Meerdere manieren om een stap te reguleren • meer enzym maken • activiteit van het enzym te veranderen – Allostere interacties – Covalente modificaties

• veranderde substraat/product concentraties Biochemische principes

C7. Regulatie door tegengestelde stappen differentieel te beinvloeden


C8. Regulatie enzymactiviteit door conformatieverandering


C9. Covalente modificatie enzymen en cascades


C10. Hiërarchie in controle • Genexpressie activiteit (bv transcriptieactiviteit, translatieactiviteit) controleert tot op zekere hoogte de hoeveelheid van elk enzym, en de hoeveelheid (activiteit) van elk enzym controleert tot op zekere hoogte de fluxen en de concentraties. Biochemische principes


D1. Behoud van elektronen: redox ∆ i electronen ≡ 0 • Er moet dus redox balans zijn in steady state: evenveel electronen opnemen als afstaan • Redoxtoestand: – – – – –

CH4: C telt als C4- (H neemt men als H+) CO2: C telt als C4+ (O neemt men als O2-) C(H2O)n (koolhydraat): C telt als C0 NO3- (nitraat): N telt als N5+ NO2- (nitriet): N telt als N3+ Biochemische principes

D1. Behoud van elektronen: redox • Redoxbalans: – CH4: C telt als C4- (H neemt men als H+) – CO2: C telt als C4+ (O neemt men als O2-) – C(H2O)n (koolhydraat): C telt als C0

• Op methaan (CH4) groeiende bacteriën moeten dus ademhalen (op zuurstof of nitraat) • CH4

C(H2O)n (biomassa) + 4 e-

• O2 + 4 e- + 4H+

2 H2O Biochemische principes


• Autotrofe organismen (dwz organismen die CO2 gebruiken als koolstofbron) moeten een externe electron donor oxideren (water bij fotosynthetische organismen) • CO2 + 4 eC(H2O)n (biomassa) O2 + 4 e- + 4H+ • 2 H2O Biochemische principes


• Op koolhydraat groeiende organismen halen ook wel adem, maar niet vanwege de redox balans. Waarom wel? • C(H2O)n C(H2O)n (biomassa) + 0 e• O2 + 4 e- + 4H+ 2 H2O • C(H2O)n CO2 + n H2O + 4 e• Omdat de ademhaling Gibbs energie oplevert (ATP) Biochemische principes

D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme (Fig. 17-1) Ontvangt electronen van: Het katabolisme Biochemische principes

D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme Betaalt electronen aan: de mitochondriële electron transport keten


D2. NADH: dominant elektron betaalmiddel in het energie metabolisme






D3. NADPH: dominant elektron betaalmiddel in het anabolisme


D3. NADPH: dominant elektron betaalmiddel in het anabolisme


D3. NADPH: glucose-6 fosfaat dehydrogenase deficiëntie

X

Patienten zijn overgevoelig voor zuurstofperoxideschade bv Biochemische principes geïnduceerd door primaquine

D4. Ademhaling kan veel Gibbs energie opleveren • In een eindstandige -CH3 groep (als in ethaan), een eindstandige alcohol groep (-CH2OH, als in alcohol), een eindstandige aldehyde groep (-CH=O als in acetaldehyde) en een eindstandige carboxylgroep (-COOH, als in azijnzuur) heeft het koolstofatoom een redox toestand van respectievelijk 3-, 1-, 1+ en 3+. • Negatieve midpuntspotentiaal (bv. -0.2 V voor de oxidatie van ethanol naar acetaldehyde, -0.6 V voor de oxidatie van acetaldehyde naar azijnzuur) • Zuurstof wil heel graag electronen hebben (hoge midpunts potentiaal +0.81 V ) • Koolstof wil daardoor dus graag aan zuurstof elektronen afstaan totdat dat niet verder kan: CO2. Biochemische principes

D4. Ademhaling kan veel Gibbs energie opleveren 100 mV komt overeen met ongeveer 10 kJ/mol electron ATP: ongeveer met 40 kJ/mol ATP Biochemische principes

D5. Oxidatie van koolstof in verbindingen Strategie:

•Steeds 2H (=2 electronen plus 2 protonen) eraf plukken met dehydrogenase •Bij dubbele binding water toevoegen •Dan 2H eraf; wordt C=O •Dan acetaat groep eraf (op CoA naar citroenzuurcyclus) (hier: vetzuurafbraak)


D5. Oxidatie van koolstof •Strategie: in verbindingen •Steeds 2H (=2 electronen plus 2 protonen) eraf plukken met dehydrogenase •Als het dubbele binidng geworden is: water toevoegen •Dan is het alcohol: 2H onttrekken wordt CH=O •Af en toe CO2 eruit als het een zuurgroep geworden is Biochemische principes

•(hier: Citroenzuur cyclus)

D5. Oxidatie van koolstof in verbindingen


D6. Bij ademhaling, wordt redox Gibbs energie geoogst door omzetting in elektrochemische proton gradient door de elektrontransferketen


D6. Bij ademhaling, wordt redox Gibbs energie geoogst door omzetting in elektrochemische proton gradient door de elektrontransferketen

Alternatieve route; minder efficiënt Anaerobe bacteriën: andere terminale acceptoren dan zuurstof (bv. Nitraat, nitriet, NO, N2O) (kampioen isprincipes Paracoccus denitrificans; hier Biochemische bestudeerd)

D7. Redox shuttles: Metabole routes om elektronen over het membraan te zetten of naar het membraan te brengen


D7. Redox shuttles: Metabole routes om elektronen over het membraan te zetten


D8. Redox metabolisme globaal • Glycolyse, pyruvaatdehydrogenase complex, vetzuurafbraak en de citroenzuurcyclus leveren elektronen in NADH (en een beetje in FADH2) • Deze worden geoxideerd door de elektron transferketen • Pentosefosfaatcyclus (en ‘transhydrogenase’) levert elektronen in NADPH • Deze worden bij biosynthese gebruikt Biochemische principes


E1. De aërobe glycolyse (i.t.t. de fermentatieve glycolyse)


E2. De citroenzuurcyclus •De citroenzuurcyclus oxideert acetyl = acetaat: CH3COOH: C3- - C3+ •tot 2 kooldioxide moleculen (2 C 4+ ), • waarbij 6 elektronen worden opgevangen door NAD and 2 door een FAD •1 GTP (ATP) wordt gemaakt •Het is een cyclus, dus er mag niet voortdurend netto C4 aan onttrokken worden


E3. Koolstof metabolisme


E3. De citroenzuurcyclus en koolstofmetabolisme Het is een cyclus, dus er mag niet voortdurend netto C4 aan onttrokken worden Wel doorgangsroute voor C metabolisme


E3. De citroenzuurcyclus en koolstofmetabolisme Het is een cyclus, dus er mag niet voortdurend netto C4 aan onttrokken worden Wel doorgangs route voor C metabolisme Biochemische principes

E4. Energie metabolisme


E4. Energie metabolisme ATP gebruik: • Biosynthese (eiwit, DNA, RNA, lipiden, koolhydraten) • Beweging (actomyosine, flagellen) • Actief transport • Signaal transductie Biochemische principes

E5. Metabolisme


E6. Gibbs energieopbrengst (in ATP equivalenten) • Glucose oxidatie • 36 ATP

∆G o ' = −2845 kJ / mol

∆G ' = −235 kJ / mol

• Glucose fermentatie • 2 ATP Biochemische principes

o

E7. Katabolisme is matig efficiënt 6   pCO 0 10 2   ∆G = ∆G '+5.71 ⋅ log 6  ⋅ [ cos ] pO glu e 2  

• Berekening Gibbs energie glucose verbranding ∆G = −2845 + 5.71 ⋅

10

• Berekening voor fermentatie naar alcohol

1   log  = −2845 − 99 = −2944kJ / mol 6  630 ⋅ 0.01 

 [ethanol ]2 ⋅ pCO2 2  = ∆G = ∆G '+5.71 ⋅ log  ⋅ [ glu cos e]   1 ) = −235 − 28 = −261 kJ / mol = −235 + 5.71⋅10 log( 100 ⋅ 900 0


10

E7. Katabolisme is matig efficiënt • Berekening efficiëntie glucose verbranding • Berekening efficiëntie fermentatie naar alcohol

36 ⋅ 40 η= ⋅100% = 49 % 1 ⋅ 2944

2 ⋅ 40 η= ⋅ 100% = 31% 1 ⋅ 261

Ondanks het feit dat de fermentatie slechts 1/18 maal het aantal ATP’s oplevert per glucose , is het thermodynamisch maar 18 % minder efficiënt. Als men alle ethanol als verloren beschouwt, dan is de fermentatieve efficiëntie lager: Biochemische principes

2 ⋅ 40 η= ⋅ 100% = 3 % 1 ⋅ 2944

Verder • • • •

Repertorium Oefenen Blackboard Gele syllabus: bestudeer de principes • Bestudeer de hoofdstukken uit het boek aan de hand van de principes


Biochemische principes Hans V. Westerhoff

Recommend Documents