Thema 4: Metabolisme en enzymologie

Essential Cell Biology - Alberts, Hopkins - 4e druk

Enzymen en energierijke verbindingen

Wat houden energie, katalyse en biosynthese in? - Chapter 3

Wat houdt katalyse in?

Voordat een enzym een reactie kan katalyseren moet het enzym eerst binden aan zijn substraat. Vervolgens wordt er een product aangemaakt dat bindt aan het enzym. Wanneer dit product losraakt van het enzym kan er een volgend substraat binden. De gekatalyseerde reacties van een substraat dat een bepaald product vormt, verschillen in snelheid. De snelheid kan gemeten worden in een experiment waarbij zuivere enzymen en substraten gemixt worden onder zorgvuldige omstandigheden. Als alle enzymen gebonden zijn door substraat, is de Vmax bereikt.

De substraatconcentratie die nodig is om een enzym efficiënt te laten werken, wordt vaak gemeten met een andere parameter: Km. De Km is de substraatconcentratie waarbij het enzym op de helft van zijn maximale snelheid werkt (0,5 Vmax).

Wanneer een enzym de activeringsenergie voor de reactie Y naar X verlaagt, wordt tegelijkertijd ook de activeringsenergie voor de reactie X naar Y verlaagd met precies dezelfde hoeveelheid. Het bestuderen van de kinetica (bewegingsleer) van een enzym (hoe snel het opereert, hoe het zich gedraagt tegenover het substraat, hoe de activiteit wordt gecontroleerd), zorgt ervoor dat we kunnen voorspellen hoe een individuele katalysator zich zal gedragen en hoe het interactie zal hebben in een netwerk met andere enzymen.

Allereerst moet de Vmax bepaald worden. Dit gebeurt door een meting waarbij wordt gekeken hoe snel het substraat geconsumeerd wordt dus hoe snel het product gevormd wordt. De enzymwerking wordt niet alleen beïnvloed door het substraat, maar kan ook beheerst worden door bijvoorbeeld producten, substraat look-alikes, inhibitors, toxines en andere kleine moleculen die de reactie kunnen verbeteren dan wel verstoren. Het effect van een inhibitor op de enzymactiviteit kan ook gemeten worden. Competitieve inhibitors blokkeren de enzymactiviteit doordat ze aan het enzym gaan binden, op dezelfde bindingsplaats waar het substraat zich bindt. Als er echter genoeg substraat wordt toegevoegd, zullen de enzymen toch met het substraat binden en de Vmax bereiken. Het kan ook dat een inhibitor op een andere plek bindt aan het enzym, waardoor het substraat-enzym langzamer gevormd wordt dan normaal. Dit kan niet omzeild worden door meer substraat toe te voegen.

De energie die afkomstig is van de oxidatie van voedselmoleculen moet tijdelijk opgeslagen worden voordat het gebruikt wordt. Dit gebeurt in de meeste gevallen in geactiveerde ‘carriermoleculen’. Zij brengen de energie naar de plaatsen waar het gebruikt wordt voor biosynthese. De drie belangrijkste carriermoleculen zijn ATP, NADH en NADPH.

De vorming van een geactiveerde carrier is gekoppeld aan een energetisch gunstige reactie. Hiervoor zijn enzymen nodig. (Een illustratief voorbeeld van zo’n koppeling is weergegeven in figuur 3-29, blz. 106.) De meest gebruikte carrier is ATP. ATP wordt gesynthetiseerd in een energetisch ongunstige fosforyleringsreactie, waarbij een fosfaatgroep wordt toegevoegd aan een ADP molecuul. Als het nodig is, splitst ATP weer in ADP en een fosfaat (Pi ), wat een energetisch gunstige hydrolyse is. Het ADP kan weer worden gebruikt voor een fosfolyseringsreactie en zo ontstaat er een celcyclus. Verder is de reactie van ATP hydrolyse gekoppeld aan vele ongunstige andere reacties waardoor andere moleculen gesynthetiseerd worden. Fosfolyseringsreacties zijn voorbeelden van condensatiereacties en komen bij veel belangrijke celprocessen voor. Ze activeren substraten, wisselen chemische energie uit en zijn essentieel bij intracellulaire signaal doorgave. ATP wordt vooral gebruikt om stoffen de cel in en uit te transporteren en het levert ook energie voor de samentrekking van spieren.

De twee belangrijkste elektronen carriers zijn NADHen NADPH. Ze kunnen allebei een ‘energiepakketje’ opnemen bestaande uit twee hoogenergetische elektronen en een proton (H+ ) en dan worden ze NAD+ en NADP+. Het verschil tussen NADH en NADPH is de fosfaatgroep, waardoor ze iets anders van vorm zijn en kunnen binden aan verschillende soorten enzymen. Binnen de cel is de ratio van NAD+ naar NADH hoog, terwijl de ratio van NADP+ naar NADPH laag gehouden wordt. Hierdoor kan NAD+ als oxiderend, en NADPH als reducerend element fungeren. Dit is vereist voor de speciale rollen die ze spelen in respectievelijk katabolisme en anabolisme.

Er zijn ook andere geactiveerde carriers, zoals FADH2. Dit molecuul draagt ook hydrogene en hoogenergetische elektronen. Co-enzym A, in geactiveerde toestand acetyl-CoA wordt bijvoorbeeld gebruikt om twee carbon-units toe te voegen in de biosynthese van de hydrocarbonstaarten van vetzuren. Zie tabel 3-2, blz. 112, voor een aantal geactiveerde carriermoleculen die gebruikt worden in metabolisme.

Het gedeelte waarin energie getransporteerd wordt, is maar een klein onderdeel van een carriermolecuul. De rest bestaat uit een groot organisch deel dat er voor zorgt dat het molecuul herkend kan worden door specifieke enzymen. Vaak bevat dit gedeelte een nucleotide, dit is ook zo bij acetyl-CoA. Dit kan een aanwijzing zijn dat veel carriermoleculen afkomstig zijn van RNA.

Hoe verlagen enzymen barrières die chemische reacties blokkeren?

Elk van de vele honderden chemische reacties die in een cel voorkomen, wordt specifiek door een enzym gekatalyseerd. Grote aantallen verschillende enzymen werken in een bepaalde volgorde om ketens van reacties te vormen, genaamd metabole routes, die elk een bepaalde reeks functies in de cel uitvoeren. Katabolische reacties breken voedselmoleculen af ​​via oxiderende routes en geven energie af. Anabole reacties genereren de vele complexe moleculen die de cel nodig heeft, en ze vereisen een energie-input. In dierlijke cellen worden zowel de bouwstenen als de energie, die nodig is voor de anabole reacties, verkregen door katabolisme.

Enzymen katalyseren reacties door zich aan bepaalde substraatmoleculen te binden, op een manier die de vereiste activeringsenergie verlaagt voor het maken en breken van specifieke covalente bindingen. De snelheid waarmee een enzym een ​​reactie katalyseert, hangt af van hoe snel het zijn substraat vindt en hoe snel het product wordt gevormd en vervolgens gediffundeerd. Deze snelheden variëren sterk van het ene enzym tot het andere. Ze kunnen worden gemeten na het mengen van gezuiverde enzymen en substraten onder een reeks gedefinieerde omstandigheden. Over het algemeen geldt dat hoe sterker de binding van het enzym en substraat is, des te langzamer is de dissociatie. Als een reactie leidt tot het vrijkomen van vrije energie, kan deze energie worden aangewend om werk te doen of chemische reacties te veroorzaken. Chemische reacties verlopen alleen in de 'bergafwaarts' richting die leidt tot verlies van vrije energie. Van dit soort reacties wordt vaak gezegd dat het energetisch gunstig is. Maar zelfs energetisch gunstige reacties vereisen activeringsenergie om ze op gang te helpen!

Zoals hierboven vermeld, wordt de druk op de energiebarrière grotendeels bevorderd door enzymen. Een stof die de energiebarrière kan verlagen, en dus de activeringsenergie van een reactie, wordt een katalysator genoemd. Net als alle andere katalysatoren blijven enzymmoleculen zelf onveranderd na deelname aan een reactie en kunnen ze daarom steeds opnieuw functioneren. Als de concentratie van het substraat progressief toeneemt vanaf een zeer lage waarde, neemt de concentratie van het enzym-substraatcomplex, en dus de snelheid waarmee het product wordt gevormd toe (aanvankelijk op lineaire wijze). Dat in directe verhouding tot de substraatconcentratie. Maar bij een zeer hoge concentratie van substraat bereikt het een maximale waarde, aangeduid met Vmax. Op dit punt zijn de actieve plaatsen van alle enzymmoleculen in het monster volledig bezet met substraat en hangt de snelheid van productvorming alleen af ​​van hoe snel het substraatmolecuul kan worden verwerkt; ook wel het omzetnummer genoemd.

De concentratie van het substraat die nodig is om het enzym efficiënt te laten werken, wordt vaak gemeten met een andere parameter, de constante van de Michaelis (Km). De Km van een enzym is de concentratie van het substraat waarbij het enzym werkt met de helft van zijn maximale snelheid (0,5 Vmax). Een lage waarde van Km gaf aan dat een substraat zeer stevig aan het enzym bindt, en een grote waarde overeenkomt met zwakke binding. Maar enzymen kunnen het evenwichtspunt voor reacties niet veranderen!

Hoe bepaalt een vrije energiewijziging voor een chemische reactie?

Hoewel enzymen reacties versnellen, kunnen ze niet afdwingen dat energetisch ongunstige reacties plaatsvinden. Maar dit kan worden gedaan door middel van enzymen die direct energetisch gunstige reacties met elkaar koppelen. Een koppeling tussen reacties, die energie afgeven en warmte produceren, tot energetisch ongunstige reacties, die deze energie gebruiken. Maar (volgens de tweede wet van de thermodynamica) kan een chemische reactie alleen plaatsvinden als het resulteert in een netto toename van de stoornis in het universum.

Het criterium voor een toename van wanorde kan het gemakkelijkst uitgedrukt worden in termen van vrije energie (G) van een systeem. De vrije energiewijziging voor een reactie, AG, meet de stoornis en deze moet minder dan nul zijn om een ​​reactie te laten plaatsvinden. Energetisch gunstige reacties zijn reacties die de wanorde veroorzaken door de vrije energie van een systeem te verlagen waartoe het behoort; met andere woorden, ze hebben een negatieve ΔG. Omgekeerd creëren energetisch ongunstige reacties, met een positieve ΔG, orde in het universum. Omdat energetisch ongunstige reacties energie vereisen, kunnen ze alleen plaatsvinden als ze gekoppeld zijn aan een tweede reactie met een negatieve ΔG zo groot dat de netto ΔG van het hele proces negatief is.

Door te concluderen, dat het creëren van een reactiepad een energetisch gunstige reactie koppelt aan een energetisch ongunstige reactie, veroorzaken enzymen anderszins onmogelijke chemische transformaties. De vrije energiewijziging voor een chemische reactie, AG, is afhankelijk van de concentratie van de reagerende moleculen, en deze kan worden berekend uit deze concentraties als de evenwichtsconstante (K) van de reactie (van de standaard vrije energiewijziging ΔGº voor de reactanten) is bekend. Omdat de evenwichtsconstante van een reactie direct gerelateerd is aan de standaard vrije energieverandering (ΔGº), wordt deze vaak gebruikt als een maat voor de bindingssterkte tussen moleculen. Deze waarde is zeer nuttig omdat deze de specificiteit van de interacties tussen moleculen aangeeft. Evenwichtsconstanten besturen alle associaties (en dissociaties) die optreden tussen macromoleculen en kleine moleculen in de cel. De evenwichtsconstante wordt groter naarmate de bindingsenergie tussen de twee moleculen toeneemt, en hoe groter de kans dat deze moleculen worden gepaard.

Wat houden geactiveerde dragermoleculen en biosynthese in?

In levende systemen wordt energie-opname bereikt door middel van een paarreacties, waarbij een energetisch gunstige reactie wordt gebruikt om te rijden en een energetisch ongunstige reactie die een geactiveerd dragermolecuul produceert. Koppelingsmechanismen vereisen enzymen en ze zijn fundamenteel voor alle energietransacties in de cel. De belangrijkste geactiveerde dragermoleculen zijn ATP, NADH en NADPH. ATP draagt ​​hoogenergetische fosfaatgroepen, terwijl NADH en NADPH hoogenergetische elektronen dragen.

1) ATP

De belangrijkste van de geactiveerde dragermoleculen in cellen is ATP (adenosine 5'-trifosfaat). ATP wordt gesynthetiseerd in een energetisch ongunstige fosforyleringsreactie waarbij een fosfaatgroep wordt toegevoegd aan ADP (adenosine 5'-difosfaat). Indien vereist, geeft ATP dit energiepakket op in een energetisch gunstige hydrolyse tot ADP en anorganisch fosfaat. De geregenereerde ADP is dan beschikbaar om te worden gebruikt voor een andere ronde van de fosforyleringsreactie die ATP vormt, waardoor een ATP-cyclus in de cel wordt gecreëerd. Daarom kan een energetisch ongunstige biosynthetische reactie worden aangedreven door ATP-hydrolyse. De synthese van een polynucleotide houdt bijvoorbeeld van RNA en DNA.

2) NADH een NADPH

NAD + en NADP + pakken elk een 'energiepakket' op in de vorm van twee hoogenergetische elektronen plus een proton (H +), respectievelijk NADH en NADPH. Net als ATP is NADPH een geactiveerde drager die deelneemt aan veel belangrijke biosynthetische reacties die anders energetisch ongunstig zouden zijn. NADH heeft daarentegen een speciale rol als tussenpersoon in het katabolische systeem van reacties die ATP genereren door de oxidatie van voedselmoleculen. Voedingsmoleculen verschaffen de koolstofskeletten voor de vorming van grotere moleculen. De covalente bindingen van deze grotere moleculen worden typisch geproduceerd in reacties die gekoppeld zijn aan energetisch gunstige bindingsveranderingen in geactiveerde dragermoleculen zoals ATP en NADPH.

Suiker- en vetmetabolisme

Hoe verkrijgen cellen energie van eten? - Chapter 13

Wat houdt katabolisme in?

Katabolisme omschrijft de verschillende manieren van stofwisseling in een cel. Hierbij worden grote moleculen afgebroken tot kleine moleculen, waarbij energie vrijkomt. Een van de meest belangrijke ‘brandstofmoleculen’ is suiker.

Brandstofmoleculen worden in stapjes afgebroken, elke keer komt een kleine hoeveelheid energie vrij. Als al deze energie in 1x zou worden gevormd, zou de cel dit niet kunnen opvangen. Daarom wordt energie stapsgewijs bewaard in ATP en andere energie dragende moleculen, die weer kunnen worden gebruikt bij andere werkzaamheden in de cel. De energie die vrijkomt wordt dus bewaard in een klein molecuul in plaats van dat het wordt omgezet in warmte.

ATP kan op twee manieren worden gemaakt:

1. De reactie: ADP + Pi wordt ATP in cytosol en mitochondriën (die tot stand komt door de oxidatie van moleculen uit voedsel)

2. Of energie van geactiveerde moleculen wordt in het mitochondrium omgezet

Voordat de cellen de binnengekregen voedingsstoffen kunnen opnemen, moeten eiwitten, lipiden en polysachariden worden afgebroken tot kleinere moleculen door middel van enzymen. Dit wordt katabolisme genoemd. Het is belangrijk hierbij dat het gaat om voedsel dat van buitenaf wordt ingenomen, dus niet de macromoleculen uit onze eigen cellen. De eerste stap van vertering gebeurt buiten de cel in de darmen of in lysosomen, die verteringsenzymen scheiden van het cytosol. Enzymen uit de darmen zullen de grote moleculen afbreken naar kleinere: eiwitten tot aminozuren, polysacchariden tot suikers en vetten tot vetzuren en glycerol. Hierna gaan ze het cytosol van een cel binnen waar oxidatie zal gaan beginnen. Zie figuur 13.2 in Alberts op pagina 432.

Wat houdt glycolyse in?

Glycolyse is de reactie waarbij een glucosemolecuul met 6 koolstofatomen wordt omgezet in twee kleinere pyruvaat moleculen met 3 koolstofatomen. Hierbij worden twee energierijke ATP-moleculen verbruikt en omgezet in ADP om de reactie op gang te laten komen. ADP neemt later een vrijgekomen fosfaat (Pi) weer op. Tijdens de glycolyse vindt ook oxidatie plaats. Elektronen worden van sommige van de koolstofatomen verwijderd van glucose door NAD+, waarbij NADH wordt geproduceerd. In de gehele glycolyse worden er per glucosemolecuul 4 ATP en 2 NADH moleculen geproduceerd. Tijdens dit proces komen er dus netto per glucosemolecuul 2 ATP en 2 NADH moleculen vrij. De glycolyse is in tien stappen te beschrijven, waarbij elk een ander enzym gebruikt wordt. Zie panel 13-1 op pagina 433 en 434.

Na de glycolyse wordt het pyruvaat getransporteerd van het cytosol naar de matrix van het mitochondrium. Hier wordt het pyruvaat snel gedecarboxyleerd door een complex van drie enzymen: het pyruvaat-dehydrogenase-complex. Elk pyruvaat wordt met hulp van CoA-SH en NAD+ omgezet tot CO2, NADH en acetyl-CoA. Veel acetyl-CoA wordt ook gevormd bij de oxidatie van vetten.

Vetzuren

Vetzuren zijn afkomst van vet en zijn ook een vorm van brandstof voor suiker. Vetzuren worden net als de pyruvaatmoleculen in de mitochondria omgezet in acetyl-CoA. Hierbij wordt acetyl-CoA gevormd, molecuul NADH en FADH2. Suikers en vetten zijn de grootste bron van energie voor een organisme die niet aan fotosynthese doet. Wanneer acetyl-CoA wordt gevormd wordt maar weer een klein deel van de energie die mogelijk is omgezet in ATP of NADH, de rest zit nog allemaal in acetyl-CoA.

In eukaryote cellen zijn de mitochondria het centrum voor de energieleverende processen, onafhankelijk van of het in het begin suikers, vetten of aminozuren zijn. In aerobe bacteriën, die geen mitochondria bevatten gebeuren de energieleverende processen in het cytosol.

Hoe werkt de citroenzuurcyclus?

Als derde stap vindt de citroenzuurcyclus plaats onder de voorwaarde van water (zuurstof). De citroenzuurcyclus wordt ook wel de Krebscylcus of de tricarboxylzuurcyclus genoemd. Deze vindt ook plaats in de mitochondriale matrix. Acetyl-CoA wordt hierbij geoxideerd tot CO2 en NADH. De acetyl-groep wordt echter niet gelijk geoxideerd. Eerst vormt acetyl-CoA met oxaloacetaat en H2O, een citraat met zes koolstofatomen. Oxaloacetaat wordt tijdens de laatste stap van de citroenzuurcyclus gevormd, die weer de eerste stap op gang brengt. Tenslotte worden de NAD+-moleculen door een elektronentransportketen gebruikt om het proces voort te drijven. O2 nodig voor oxidatie,wordt in de citroenzuurcyclus zelf geproduceerd uit H2O. De helft van de energie die bij de oxidatie van glucose of vetzuren vrijkomt wordt gebruikt in de reactie Pi + ADP wordt ATP. De andere helft van de energie gaat verloren in warmte. Netto brengt één ronde in de citroenzuurcyclus drie NADH, een FADH2 en een GTP (ATP) energierijke moleculen op. De citroenzuurcyclus is goed weergeven in panel 13.2 op pagina 446 en 447.

Vervolgens begint de oxidatieve fosforylering. NADH en FADH2 geven hun elektronen af aan een elektron-transport keten in de binnenmembraan van het mitochondrium. De elektronen worden gebonden aan O2-moleculen, om water te produceren. Tijdens dit proces wordt er zo veel mogelijk ADP omgezet tot ATP. Oxidatie fosforylering vindt bij aerobe bacteriën plaats in het plasma membraan en bij eukaryote cellen in het mitochondrium.

Bij de gehele oxidatie van één glucosemolecuul tot CO2 en H2O worden er uiteindelijk zo’n 30 – 32 ATP-moleculen geproduceerd. 2 ATP-moleculen uit de glycolyse, 2 ATP uit de citroenzuurcyclus en 26 – 28 ATP uit de oxidatieve fosforylering. Deze processen die hierboven zijn beschreven, zijn er maar een aantal voorbeelden van de vele processen die in een cel plaats kunnen vinden. Een cel moet zelf controleren of metabolieten via een anabole of katabolische route worden ´vervoerd´.

Voor elke van de gevormde stoffen in de gehele cyclus van de cel zijn vele wegen! Controle mechanismen zorgen voor de enzymen die de metabolische processen reguleren en controleren. Het metabolische balans is verbazend stabiel.

Katabolische reacties zijn bouwblokken voor vele andere moleculen die worden gevormd en produceren energie. De stoffen die worden gevormd bij de glycolyse en citroenzuurcyclus kunnen ook voor anabole processen worden gebruikt. Hierin worden ze omgezet in nucleotiden, aminozuren en lipiden.

Het lichaam heeft een constante toevoer van glucose nodig. Als we een tijd geen voedsel binnenkrijgen wordt er gebruikt gemaakt van de gluconeogenese. Dit is het omgekeerde proces van glycolyse, waarbij er glucose wordt gevormd uit kleine moleculen als lactaat, pyruvaat of aminozuren. De gluconeogenese vindt plaats in de lever. Als de glycolyse en gluconeogenese onverstoord tegelijk zouden kunnen optreden, dan zou veel energie voor niets verloren gaan. De oplossing hierop is dat bij de gluconeogenese andere enzymen worden gebruikt, die zorgen voor bypassreacties. Zo’n omzeilingsreactie vindt bijvoorbeeld plaats bij stap 3 in de glycolyse. Een bypassreactie vindt plaats als het fosfofructokinase enzym is uitgeschakeld. Wanneer er een klein energie reserve is wordt fosfofructokinase geactiveerd om de glycolyse weer op gang te wekken.

De balans tussen glycolyse en gluconeogenese moet aldoor worden gereguleerd. Wanneer er te weinig energie is moet glucose worden afgebroken en wanneer er genoeg is moet het worden opgeslagen. Gluconeogenese is een kostbaar proces, dat energie gebruikt d.m.v. hydrolyse van ATP en GTP. Dit kan dus niet te veel plaatsvinden. Er worden echter door het lichaam voedselreserves aangemaakt. Glucose wordt opgeborgen, dit wordt gedaan in de vorm van glycogeen, in de lever en spieren. Wanneer het nodig is wordt deze omgezet in glucose om de glycolyse in gang te zetten. Het balans tussen de glycogeen synthese en afbouw wordt gereguleerd door intracellulaire signalen van hormonen als insuline, adrenaline en glucagon.