Processen in de cel - Biologie - Theorie - Toelatingsexamens arts en tandarts

Processen in de cel

Processen in de cel

Voorwoord

Deze theoriehoofdstukken werden in eerste instantie samengesteld om in de theorie te voorzien die vereist is voor het afleggen van de toelatingsexamens arts en tandarts, maar heeft mettertijd een bredere bestemming gekregen, waardoor meer theorie voorzien is dan gekend moet zijn voor het toelatingsexamen. Toch is de theorie relatief beknopt gehouden: ze is vooral bedoeld voor wie het allemaal al eens gezien heeft en wil herhalen en daardoor zijn basis verstevigen. Ik denk dat ze daardoor nuttig kan zijn bij de voorbereiding van die toelatingsexamens, voor olympiades of voor een herhaling van leerstof voor het aanvangen van hogere studies. Maar als je besluit dit document te gebruiken voor welke test dan ook, check dan zelf welke leerstof gekend moet zijn op de officiële sites.
De auteur van dit document kan in geen enkel geval aansprakelijk gesteld worden voor eventuele gevolgen van of schade die kan ontstaan uit het gebruik van dit document.

Enzymen

Enzymen zijn de werkpaarden in de cel: waar er chemische stoffen opgebouwd of afgebroken moeten worden, zijn het de enzymen die hiervoor zorgen. Stel bijvoorbeeld dat maltose moet aangemaakt worden (uit twee glucosemoleculen), dan is het een enzym dat daarvoor zorgt.
Enzymen zijn biokatalysatoren. Katalysatoren zijn stoffen die een chemische reactie versnellen en onveranderd worden teruggevonden.
Enzymen behoren tot de eiwitten.
Een enzym bindt aan één of meerdere substraten en geeft producten vrij. De bindingsplaats van het substraat of de substraten noemen we de actieve site.

Verlagen activeringsenergie

Enzymen verlagen de activeringsenergie van een reactie

Voorbeeld

Een voorbeeld is de afbraak van substraat tot twee producten (vb. maltose in twee glucosemoleculen):

Naamgeving enzymen

De naam eindigt altijd op -ase.
In bepaalde gevallen wordt het enzym naar het substraat genoemd, bijvoorbeeld: amylose (zetmeel) wordt afgebroken door amylase.
In andere gevallen krijgen ze de naam van het type chemische reactie, bijvoorbeeld enzymen die hydrolysereacties katalyseren, worden hydrolasen genoemd. Zo zijn er ook polymerasen,...

Invloed van de temperatuur

Enzymen werken het best bij een bepaalde temperatuur, hun zogenaamde optimale temperatuur.

Invloed van de zuurtegraad

Enzymen zullen bij specifieke zuurtegraden optimaal werken. Voor vele enzymen in het menselijk lichaam zal dit rond pH = 7 zijn, maar voor pepsine, dat in de maag werkt en eiwitten afbreekt, ligt de optimale pH lager (de maaginhoud is zuur).

Co-enzymen en co-factoren

Sommige enzymen hebben co-enzymen of cofactoren nodig, dit zijn stoffen die aan het enzym binden zodat het substraat aan het enzym kan binden.
Voorbeelden van co-enzymen zijn metaalionen zoals magnesium, zink of koper of bepaalde vitaminen.
Een cofactor bij energie vereisende reacties is vaak ATP.
Soms bindt de cofactor op de actieve site zelf en verandert deze zodat het substraat aan het enzym kan binden. Vaak echter bindt de cofactor niet op de actieve site zelf, maar ergens elders op het enzym, waardoor de vorm van de actieve site toch verandert (allosterisch).

Competitieve inhibitie

Hier is er een andere stof die op de actieve site van het enzym bindt en verhindert dat het substraat op het enzym bindt.

Allosterische inhibitie

Hier is er een andere stof die verhindert dat het substraat op het enzym bindt; maar die op het enzym bindt op een andere plaats dan de actieve site, maar toch de vorm van de actieve site verandert.

Fotosynthese

Fotosynthese gebeurt door planten. Tijdens het fotosyntheseproces: wordt zonne-energie opgevangen en de energie aangewend om suikers te maken. Dit gebeurt in het bladgroen (chlorofyl) dat zich in de bladgroenkorrels (chloroplasten) bevindt.
De chloroplast:
Tussen de grana ontstaan zetmeelkorrels.

Fotosyntheseproces

Bij fotosynthese worden uit anorganische stoffen ( CO2 en H2O ) organische stoffen gevormd ( glucose = C6H12O6 ).
Hierbij komt zuurstofgas (O2) vrij.
De energie nodig om deze reactie tot stand te brengen wordt geleverd door zonlicht. Het chlorofyl neemt het licht op en doet de energieoverdracht.
De algemene reactie:
Het fotosyntheseproces bestaat uit lange keten chemische reacties, in te delen in twee fasen: de lichtreacties en de donkerreacties.
6 CO2 + 6 H2O
C6H12O6 + 6 O2
lichtenergie
bladgroen

Lichtreacties

De lichtreacties van de fotosynthese vinden plaats in de membranen van de thylakoïden.
Hier wordt lichtenergie vastgelegd als chemische energie in de vorm van ATP en NADPH.
Onder invloed van zonlicht worden in twee fotosystemen twee elektronen in een hogere energietoestand gebracht.
Deze hoogenergetische elektronen vallen dan via oxfoseenheden weer naar hun basisniveau.
De vrijgekomen energie wordt omgezet in hoogenergetische verbindingen (ATP en NADPH).

Lichtreacties

Eerst PSII: fotosysteem II en daarna PSI: fotosysteem I
Dus in PSII en PSI krijgen elektronen een hogere energie door het zonlicht, die ze dan weer afgeven voor vorming ATP en NADPH
De O2 in de fotosynthesereactie ontstaat uit H2O en niet uit CO2.

Donkerreacties

Hier zal de energie, in de lichtreacties gevormd als ATP en NADPH, gebruikt worden om glucose (en later zetmeel) aan te maken.
Hiervoor is geen licht nodig, wel CO2. Deze reacties vinden plaats in het stroma van de chloroplasten.
De reactieketen is vrij ingewikkeld en wordt de Calvincyclus genoemd.

Calvincyclus

Als de cyclus 2x draait, kan er uit 2 GAP (glyceraldehyde-3-fosfaat ook als G3P aangeduid) een glucose gevormd worden.

Opslag van fotosyntheseproducten

In de meeste planten wordt glucose eerst in zetmeel omgezet.
Dit is een lange keten van glucoseëenheden, met een binding gevormd door afsplitsing van H2O tussen elke 2 eenheden. Hiervoor is energie nodig (ATP).
Het zetmeel wordt gevormd in de chloroplast en daarna als reservestof opgeslagen in niet-groene delen van de plant als knollen, bollen en wortelstokken en in meeste zaden en vruchten.
Zetmeel is in tegenstelling tot glucose onoplosbaar en is daardoor beter geschikt als reservestof.

Autotroof en heterotroof

Autotrofe organismen zijn organismen die zelf uit CO2 en H2O glucose kunnen vormen.
Heterotrofe organismen zijn organismen die voor opname van glucose afhankelijk zijn van andere organismen.

Celademhaling

De ademhalingsreactie is de verbrandingsreactie van glucose met zuurstof. Hierbij komen CO2 en H2O vrij. De vrijgekomen energie wordt in de vorm van ATP omgezet.
De totale ademhalingsreactie:
De vrijgekomen energie levert 38 ATP op:
Dit is echter een bruto getal: er gaan nog enkele ATP’s af door allerhande processen, waardoor het netto op een 35 ATP komt.
Met deze ATP kunnen dan andere processen in de cel uitgevoerd worden.
6 CO2 + 6 H2O + Energie
C6H12O6 + 6 O2
38 ADP + 38 P + Energie
38 ATP

Celademhaling in stappen

De ademhalingsreactie gebeurt in 3 stappen:
Glycolyse
Krebscyclus (of citroenzuurcyclus)
Eindoxidaties.

Glycolyse

Tijdens de glycolyse gebeurt de afbraak van glucose (een hexose - C6) via fructose (C6) tot 2 pyruvaat (pyrodruivenzuur, een triose – C3).
Hierbij worden netto 2ATP gevormd en ook 2 NADH + 2 H+.
NAD = nicotinamide-adenine-dinucleotide.
De 2 NADH + 2 H+ zullen ook ATP's opleveren (zie verder).
Dit gebeurt in het celplasma.
Hierbij wordt geen zuurstof verbruikt.
Image https://en.wikipedia.org/wiki/Glycolysis

Krebscyclus (of citroenzuurcyclus)

De Krebscyclus speelt zich af in de matrix van de mitochondriën. Hier worden de pyruvaatmoleculen afgebroken tot CO2. Er komt per pyruvaatmolecule 3 CO2, 1 ATP, 4 NADH + 4H+ en 1 FADH2 vrij.
De 2 NADH + 2 H+. zullen nog ATP's opleveren (zie verder). Ook de FADH2 zal ATP's opleveren (zie verder). FAD = flavine-adenine-dinucleotide.
Hierbij wordt geen zuurstof verbruikt.
De Krebscyclus wordt ook citroenzuurcyclus genoemd.

Krebscyclus

Het is de pyruvaat die de mitochondriën binnenkomt. Eerst wordt de pyruvaat op CoA (co-enzyme A) gebonden tot acetylCoA. Hierbij komt een CO2 vrij en wordt een NADH + H+ gevormd.
De acetylCoA zal nu de Krebscyclus ingaan. De acetylCoA wordt op oxaalazijnzuur gebonden, de acetylgroep zal tot 2 CO2 afgebroken worden.

Krebscyclus

In totaal levert elke pyruvaatmolecule op:
3 CO2
4 NADH + H+
1 FADH2
1 ATP

Eindoxidaties

Uit de glycolyse hadden we per glucosemolecule naast ATP nog een aantal energierijke verbindingen. Deze stoffen zullen nu in de eindoxidaties met behulp van zuurstof geoxideerd worden. Hierbij komt energie vrij die in de vorm van ATP opgeslagen wordt. Men noemt dit de oxidatieve fosforylering.
Het gebeurt door co-enzym-Q en cytochromen die zich op de cristae (binnenmembraan) van de mitochondriën bevinden.
Men noemt dit ook de elektronentransportketen.

Eindoxidaties

Hier wordt dus ATP gevormd, O2 verbruikt en H2O gevormd.

Totale opbrengst

In totaal brengt de afbraak van 1 glucosemolecule door de celademhaling 38 ATP op (netto rond de 35).

Oxidatie van vetten

Vetten worden tijdens de vertering gesplitst in glycerol en vetzuren.
De vetzuren worden naar de mitochondriën getransporteerd en tot acetyl-coA omgezet en in de Krebscyclus afgebroken.
Glycerol wordt tot pyruvaat omgezet, naar de mitochondriën getransporteerd, tot acetyl-coA omgezet en in de Krebscyclus afgebroken.
Per gram levert vet meer energie op, maar er is wel meer zuurstof nodig dan bij verbranding van glucose.

Oxidatie van vetten

Vetten
Glycerol
Vetzuren
Pyruvaat
Mitochondrium
acetyl-coA
Dit is de zogenaamde beta-oxidatie.

Oxidatie van eiwitten

De eiwitten worden door de vertering in aminozuren gesplitst.
De aminegroepen worden in ureum omgezet.
De aminozuren worden verder omgevormd en naar de mitochondriën gebracht, tot acetyl-coA omgezet en in de Krebscyclus gebracht.
Eiwitten
Aminozuren
acetyl-coA

Gisting

Gisten zijn kleine eencellige zwammen, bijvoorbeeld bakkersgist, bier- en wijngist. Als er genoeg zuurstof voorhanden is halen ze net als wij hun energie uit de aerobe oxidatie van glucose (ademhaling). Dat geeft ongeveer 38 ATP per molecule glucose.
Indien ze in een zuurstofarm milieu komen, voeren ze enkel de glycolyse uit en is de energieopbrengst veel lager.

Alcoholische gisting

Hierbij breken gistcellen glucose (C6H12O6) af tot alcohol (C2H5OH - ethanol).
Er worden dus slechts 2 ATP per glucose gevormd.

Alcoholische gisting

De ontstane CO2 bij de alcoholische gisting geeft aanleiding tot de schuimkraag van bier.
Ook bij bakken van brood gebruikt men gist om het brood te laten rijzen (opzwellen). De kleine hoeveelheid geproduceerd ethanol verdampt tijdens het bakken.

Melkzuurgisting

De melkzuurgisting gebeurt door melkzuurbacteriën, glucose wordt afgebroken tot melkzuur.
Ook hier worden dus 2 ATP gevormd per glucose.

Melkzuuropbouw in ons lichaam

Als we te snel lopen (te intensieve glucoseverbranding voor beperkte zuurstoftoevoer) geeft dit melkzuuropbouw in de spieren. Het ontstane melkzuur wordt dan achteraf, in de lever, afgebroken met behulp van zuurstof (hijgen).