Vormen van energie

• Chemische energie
  • Opgeslagen in organische moleculen.
  • Bijvoorbeeld in:
    • ATP;
    • glucose.
  • Bij uiteenvallen van zo'n molecuul, komt energie vrij.
    
    
• Lichtenergie
  • Planten kunnen lichtenergie opnemen met hun bladgroenkorrels en omzetten in chemische energie (glucose).
    
    
• Kinetische energie (bewegingsenergie)
  • Bijvoorbeeld bij spierbewegingen.
    • Chemische energie uit ATP wordt dan omgezet in bewegingsenergie.
      
      
• Elektrische energie
  • Zenuwcellen zetten chemische energie om in elektrische energie --> impulsgeleiding.
    
    
• Warmte
  • Onstaat als 'verlies' als chemische energie omgezet wordt in andere energievormen.
  • Bijvoorbeeld bij:
    • dissimilatie;
    • beweging.

Stofwisseling (metabolisme)

Alle chemische (scheikundige) processen in een organisme.

• Basaalmetabolisme (grondstofwisseling)
  • Stofwisseling van een organisme in rust.

Te onderscheiden zijn:

• Assimilatie processen
  • Opbouwreacties
    • Omzetten van kleine moleculen in grotere organische moleculen.
    • Energie voor nodig.
      • Endotherme reacties.
        
        
• Dissimilatie processen
  • Afbraakreacties
    • Grote(re) organische moleculen worden afgebroken tot kleinere moleculen.
    • Energie komt vrij.
      • Exotherme reacties.
    • Energie wordt tijdelijk vastgelegd in ATP .
      • ADP + P_i + E (energie) --> ATP
      • Deel van de energie komt vrij als warmte.
    • ATP kan door andere celonderdelen gebruikt worden als energieleverancier.
      Gebruikt voor:
      • assimilatie (synthese van stoffen);
      • beweging;
      • actief transport.

Autotrofe organismen

• Maken van anorganische stoffen (uit het abiotische milieu), organische stoffen.
  • Planten - energie uit licht (fotosynthese).
  • Bepaalde bacteriën - energie uit omzetting van chemische stoffen (chemosynthese).

Heterotrofe organismen

• Kunnen alleen van kleinere organische stoffen worden grotere organische stoffen maken.
  Organische stoffen zijn afkomstig van andere organismen (biotisch milieu).
  • Dieren.
  • Schimmels en meeste bacteriën.

Assimilatie processen

• Koolstofassimilatie (C-assimilatie)
  
  • Vorming van glucose uit koolstofdioxide en water (of een andere waterstofdonor).
  • Energie wordt uiteindelijk vastgelegd in glucose.
    Alleen door autotrofe organismen.
    
    
  • Fotosynthese
    • Vorming van glucose uit koolstofdioxide en water.
    • Energie wordt geleverd door het zonlicht.
      Zie verder B.3.2
      
      
  • Chemosynthese
• Energie afkomstig uit oxidatie van een anorganische stof.
• Bij de oxidatie komt energie vrij (vastgelegd in ATP).
• Energie (ATP) wordt gebruikt om glucose te vormen.
• Komt voor bij bepaalde autotrofe bacteriën:
  • zwavelbacteriën;
  • nitrificerende bacteriën;
    • nitrietbacteriën;
    • nitraatbacteriën.
    
    
• Voortgezette assimilatie
  • Energie wordt geleverd door dissimilatie.
    ATP
    

    Bij autotrofe organismen

  • Glucose wordt omgezet in organische stikstofverbindingen (stikstofassimilatie):
    • aminozuren;
    • nucleotiden.
    • Nodig:
      • anorganische stikstofverbindingen uit de bodem.
        • In ieder geval NO₃^- (nitraat).
        • In mindere mate ook SO₄^2- (sulfaat).

Zowel bij autotrofe als heterotrofe organismen

• Omzetten van kleine organische moleculen in grotere.
• Vorming van andere organische stoffen (andere koolhydraten en vetten) uit glucose.
• Vorming van eiwitten uit aminozuren.

Gebruik gevormde organische stoffen

• Bouwstoffen voor de groei.
  • Toename van de biomassa.
    • Biomassa is de hoeveelheid organische stoffen waar een organisme uit bestaat (drooggewicht).
• Opslag reservestoffen;
  • in planten:
    • koolhydraten, eiwitten en mineralen;
    • In zaden ook vetten.
  • in dieren:
    • koolhydraten en vetten;
    • geen opslag van eiwitten.
• Herstel.
• Vorming enzymen;
• Brandstof voor de dissimilatie.

Gebruik Binas of Biodata

Aërobe dissimilatie (celademhaling)

• Afbraak met behulp van zuurstof (verbranding).
  • Hoge energie opbrengst (veel ATP).
  • Energiearme producten blijven over.
    • H₂O, CO₂.
    • Bij dissimilatie van aminozuren ook stikstof en zwavelhoudende producten.
• Brandstof meestal glucose.
  • Bruto reactievergelijking:
    C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂ --> 6CO₂ + 12 H₂O + E (38ATP)
• Verloop van het proces:
  • Glycolyse
    • C₆H₁₂O₆ --> 2 pyrodruivenzuur + 2 ATP + 2 NADH₂
    • Vindt plaats in het cytoplasma.
  • Citroenzuurcyclus
    Citroenzuurcyclus animatie
    • Vindt plaats in de mitochondriën.
    • Pyrodruivenzuur wordt via azijnzuur volledig afgebroken tot CO₂ en H₂O.
    • Vrijgekomen waterstof wordt gebonden aan NAD --> NADH₂ .
      • In totaal 10 NADH₂ .
  • Eindoxidatie (oxidatieve fosforylering)
    
    • Van NADH (afkomstig uit de glycolyse en de citroenzuurcyclus) worden H⁺-ionen afgesplitst.
      • De daarbij vrijkomende elektronen worden via een elektronentransportketen van de ene stof op de andere overgebracht.
      • Een deel van de daarbij vrijkomende energie wordt gebruikt door het enzym ATP-synthase om ATP te vormen uit ADP.
        ADP + P_i + E --> ATP
      • Een deel van de energie komt vrij als warmte.
      • Eiwitten in membranen (de zogenaamde protonenpomp of waterstofpomp) zorgen ervoor dat H⁺-ionen (protonen) actief door de membranen worden van de mitochondriën worden getransporteerd.
      • Uiteindelijk wordt zuurstof gereduceerd tot water.
        12 NADH₂ + 6O₂ + 36ADP + 36 P_i --> 12 NAD + 12 H₂O + 36 ATP
  • De meeste ATP wordt gevormd in de mitochondriën bij de eindoxidatie.
    
    
• Dissimilatie van eiwitten en vetten
  • Levert meer energie dan dissimilatie van glucose.
  • Eiwitten:
    • worden eerst gesplitst in aminozuren;
    • van aminozuur wordt aminogroep afgesplitst (desaminering);
      • Ammoniak (NH₃) blijft over.
    • restketen wordt verder gedissimileerd als bij dissimilatie van glucose.
  • Vetten:
    • worden eerst gesplitst in glycerol en vetzuren.
    • Vetten leveren de meeste energie.
      • Wordt veroorzaakt door het grotere aantal wateratomen per gram vet.

RQ = respiratoir Quotiënt
Dit niet leren, je moet er alleen mee kunnen werken.

• RQ = hoeveelheid CO₂ die vrijkomt gedeeld door de hoeveelheid O₂ die nodig is (CO₂/O₂).
• Door bij de gaswisseling opgenomen O₂ en afgegeven CO₂ te meten, kan de RQ van een organisme bepaald worden.
  
• De RQ-waarde is kenmerkend voor de gebruikte brandstof.
  • Hoe lager de RQ - hoe hoger de energetische waarde van de brandstof.
• Koolhydraten --> RQ = 1.
• Vetten --> RQ = 0,7.
• Eiwitten --> RQ = 0,9.

Gebruik Binas of Biodata

Anaërobe dissimilatie

• Afbraak zonder zuurstof (gisting) .
• Lage energieopbrengst.
  • Levert minder ATP dan aërobe afbraak:
    • 2 ATP per molecuul glucose.
• Glucose wordt onvolledig afgebroken.
  • Er blijft een energierijke stof over:
    • ethanol;
    • melkzuur.

  Alcoholgisting

• Bij gistcellen, bepaalde bacteriën en planten.
• CO₂ en ethanol (alcohol) blijven over.
• Reactievergelijking
  C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2P_i --> 2CO₂ + 2 C₂H₅OH (ethanol) + E (2 ATP)
• Verloop van het proces:
  • glycolyse; (Ipad)
  • omzetting van pyrodruivenzuur in ethanal;
  • ethanal wordt omgezet in ethanol.

Melkzuurgisting

• Bij melkzuurbacteriën en gewervelde dieren (in de spieren).
• Melkzuur blijft over.
• Reactievergelijking:
  C₆H₁₂O₆ + 2 ADP + 2P_i --> 2 C₃H₆O₃ (melkzuur) + E (2 ATP)
• Verloop van het proces:
  • glycolyse;
  • omzetting van pyrodruivenzuur in melkzuur.
    
    
  Methaanvorming
  
  
• Methaanbacteriën (reducenten) zetten organisch materiaal anëroob om in H₂O en methaan (CH₄)
  
• Komen van nature o.a. voor in:
  • koeienmaag;
  • bodem van moerassen en sloten;
  • dikke darm van mensen.

Enzymen (bio-katalysatoren)

Voor de stofwisselingsprocessen zijn enzymen nodig.

Bouw

• Bestaan uit een eiwitdeel en een co-factor.
• Door vouwing van het eiwitdeel ontstaat een bindingsplaats (actief centrum) voor het substraatmolecuul.
• Co-factor: noodzakelijk voor de werking van bepaalde enzymen.
  • Kan zijn:
    • een vitamine (co-enzym);
    • een metaal-ion.
      

Werking

• Versnellen bepaalde chemische reactie.
  • In het lichaam temperatuur te laag voor spontane reacties.
  • Verlagen de activeringsenergie die nodig is om een reactie op gang te brengen.
  • Gaan binding aan met een substraatmolecuul ( of substraatmoleculen).
    Enzymwerking 1
    Enzymwerking 2
  • Vormen enzymsubstraat-complex.
  • Reactie komt op gang
  • Enzym laat weer los.
    Enzym + substraat --> Enzymsubstraat-complex --> Product + enzym
    
• Veranderen zelf niet bij de reactie.
• Worden zelf tijdens de reacties niet verbruikt.
  • Kunnen dus meerdere substraatmoleculen omzetten.

Eigenschappen

• Enzymen zijn:
• substraatspecifiek.
  • Door tertiaire structuur --> specifieke vorm --> passen maar op één substraat.
    • De ruimtelijke structuur van de bindingsplaats van het enzym moet passen op het substraat om daarmee een binding te kunnen aangaan.
      
  • Enzym krijgt de naam van het substraat waarop het werkt + de toevoeging "ase"
    Voorbeelden:
    • sacharose --> sacharase
    • lipiden --> lipase
    • penicilline --> penicillinase
    • vorming DNA (replicatie) --> DNA-polymerase
    • vorming RNA (transcriptie) --> RNA-polymerase.
• reactiespecifiek.
  • Kunnen maar één bepaalde reactie versnellen.
• Enzymactiviteit is afhankelijk van:
• de temperatuur (optimumkromme).
  • Eiwitten veranderen bij hogere temperaturen van vorm (denaturatie).
    • De tertiaire structuur verandert --> passen niet meer op het substraat.
      Enzymwerking 2
      • Door de hogere temperaturen worden de zwavelbruggen (S-S) verbroken.
• de pH (optimumkromme).
  • De pH heeft invloed op de ion-bindingen en daardoor op de bindingsmogelijkheden met een substraat.
• de enzymconcentratie.
  • Hoe meer enzymmoleculen een binding met het substraat kunnen aangaan, hoe sneller de reactie.
    
    
• Bepaalde geneesmiddelen en gifstoffen kunnen:
  • als enzymremmer werken (inhibitor).
    • Molecuul geneesmiddel of gifstof is concurrent van substraatmolecuul.
      • Bezet het enzymmolecuul --> kan niet meer binden aan substraat.
    • Molecuul bindt op ander plaats.
      • De actieve bindingsplaats verandert van vorm.
        • Geen binding aan substraat meer mogelijk.
          
  • enzymen activeren (activator).
    • Molecuul bindt aan enzym.
      • Verhoogt de enzymactiviteit.

Specifieke enzymen

• In de cellen.
  • Kern
    • Voor de vorming van DNA (replicatie) en mRNA (transcriptie).
    • Voor de reparatie van DNA en RNA.
  • Mitochondriën
    • Voor de citroenzuurcyclus en de ademhalingsketen.
  • Ribosomen
    • Voor de koppeling van aminozuren tot eiwitten.
  • Endoplasmatisch reticulum en golgi-systeem
    • Voor het verder bewerken van eiwitten.
  • Lysosomen
    • Hierin zitten verteringseiwitten.
      • Voor afbreken van stoffen in de cel.
        
• In het verteringskanaal
  • Voor afbraak van voedingsstoffen.
• Op bepaalde plaatsen zijn de enzymen in inactieve vorm aanwezig.
  • Worden pas actief als er een tweede component bijkomt
    Bijvoorbeeld:
    • in het bloedplasma zitten stollingsenzymen.
      • Zijn altijd in inactieve vorm aanwezig.
      • Worden pas actief bij beschadiging van een bloedvat.
    • in het spijsverteringskanaal komen verteringsenzymen.
      • Worden gevormd door cellen van de verschillende klieren.
      • Moeten niet actief zijn in de cellen waar ze gevormd worden (niet de cellen aantasten), maar alleen in het darmkanaal zelf.
• Gebruikt bij DNA onderzoek:
  • restrictie enzymen.

Biotechnologie

Micro-organismen worden gebruikt door de mens.

• Gistcellen worden gebruikt voor;
  • productie van brood, wijn en bier.
    • alcoholgisting
      
      
• Bacteriën worden gebruikt voor:
  • productie van enzymen voor wasmiddelen;
  • zuivering van afvalwater;
  • productie van bepaalde voedingsmiddelen o.a. yoghurt en zuurkool;
    • melkzuurgisting
  • productie van geneesmiddelen.
    
    
• Genetisch gemodificeerde micro-organismen
  • DNA van organisme wordt veranderd om gewenste eigenschappen te krijgen.
    • recombinant-DNA
  • Kan o.a. door:
  • mutatie op te wekken;
    • Bijvoorbeeld met straling of met mutagene stoffen.
  • "vreemde" genen in te bouwen in (ei)cel.