HC19: Stofwisseling van de cel

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college vormt een inleiding tot stofwisseling in de cel
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Onderhoud van de energie

Het belangrijkste doel van stofwisseling is het onderhouden van de energie:

• Eten en drinken leveren niet alleen de noodzakelijke voedingsstoffen voor een gezond en fit lichaam, maar ook energie
• Voedingsstoffen zijn de brandstof voor het lichaam, zonder energie functioneren we niet
• Hoeveel energie een mens per dag verbruikt, hangt af van o.a. leeftijd, geslacht en activiteiten

Twee routes spelen een belangrijke rol:

• Katabole route: afbraak van voedselmoleculen tot kleinere bouwstenen → levert energie
• Anabole route: aanmaak van grotere bouwstenen uit kleinere bouwstenen → kost energie

Katabole en anabole routes zijn niet elkaars omgekeerde, maar compleet andere routes.

Componenten

Voedsel bestaat uit 3 belangrijke componenten:

• Koolhydraten
  • Bijv. een glucosemolecuul (een C6-ring waar OH-groepen aan gekoppeld zijn)
• Vetten
  • Bijv. triacylglycerol (een backbone van glycerol waarbij de OH-groep veresterd is met de vetzuurstaart)
• Eiwitten
  • Opgebouwd uit aminozuren
    • Essentiële aminozuren kunnen niet zelf aangemaakt worden, maar moeten opgenomen worden via de voeding

Absorptie in de darm

Voedingsstoffen worden door enterocyten geabsorbeerd in de darm. Dit gebeurt op verschillende manieren:

• Glucose: wordt direct door de enterocyt geabsorbeerd
• Eiwitten: worden eerst in het lumen (van de dunne darm) gehydrolyseerd van polymeer tot monomeren → aminozuren
• Sucrose: wordt via brushborder hydrolyse omgezet van oligomeer tot monomeren → glucose en fructose
• Peptiden: worden eerst in de cel getransporteerd en intracellulair gehydrolyseerd tot aminozuren
• Triacylglycerol: wordt eerst in het lumen gehydrolyseerd en vervolgens over het membraan de cel in getransporteerd → hier vindt resynthese van het triacylglycerol plaats

Opslag voor later

Het menselijk lichaam is geconditioneerd om voedsel op te slaag ter bescherming voor voedselschaarste. Het lichaam is niet aangepast aan de huidige omstandigheden, waarbij er nauwelijks sprake van schaarste is. Dit zorgt voor overgewicht.

Vetopslag kan op meerdere manieren gebeuren:

• Glucose: kan opgeslagen worden als glycogeen in spier- en levercellen, of wordt omgezet in vet
  • Glycogeen heeft een andere functie dan glucose
    • Glycgeen is een polysacharide: bestaat uit veel aaneengekoppelde glucosemoleculen
  • Vet kan niet terug omgezet worden in glucose
  • De glycogeenvoorraad in het menselijk lichaam is bescheiden
    • Lever: 120 gram glycogeen
    • Spier: 700 gram glycogeen
• Vetzuren: worden opgeslagen als vet
  • Een vetzuur is een glycerol backbone met vetzuurstaarten
  • Vetzuren zonder dubbele bindingen zijn verzadigd, vetzuren met dubbele bindingen zijn onverzadigd
  • Acyl: de vetzuurzijketen/-staart
  • Acetyl: een CH3COO groep
  • Het lichaam bestaat voor 20% uit vet (14 kg)
    • Vetzuren opgeslagen als vet
    • Glucose omgezet naar vetzuren en opgeslagen als vet
• Eiwitten: zijn functioneel en worden niet als primaire energiebron gebruikt → er is geen opslag van aminozuren en eiwitten
  • In extreme periodes van schaarste kan eiwit wel als energiebron functioneren → leidt tot spierafbraak en functieverlies
  • Het lichaam bestaat voor 14% uit eiwitten (10 kg)

Afbraakroutes

Glucose afbraak levert energie:

1. Glycolyse levert pyruvaat op
2. Pyruvaat wordt omgezet in acetyl-CoA
   • Acetyl-CoA is een centraal molecuul
   • Ketogene aminozuren leveren ook acetyl-CoA op
3. Acetyl-CoA gaat de citroenzuurcyclus in → levert NADH en FADH2op
   • NADH en FADH2zijn elektronendragers
4. Tijdens oxidatieve fosforylering leveren NADH en FADH2hun elektronen af → ATP wordt gevormd
   • ATP is een hoog-energetisch fosfaat
   • ATP bestaat uit een ribose, adenine en 3 fosfaatgroepen
5. ATP wordt omgezet in ADP → doordat een fosfaat wordt afgesplitst komt energie voor allerlei processen vrij

Anaerobe verbranding:

Dit voorbeeld beschrijft de beschikbare energie voor een sprintje van 10 seconden. Hierbij wordt aangenomen dat de snelste bron eerst helemaal wordt opgemaakt:

1. Creatinefosfaat in de spier wordt heel snel omgezet in ATP
   • De voorraad creatininefosfaat is heel beperkt
2. Na 6 seconden is de voorraad creatininefosfaat op
3. Glycolyse: een glucosemolecuul wordt omgezet tot 2 pyruvaat → levert 2 ATP en 2 NADH op
4. Als de glycolyse vaak achter elkaar moet plaatsvinden raakt de NAD⁺op
5. De anaerobe glycolyse start: spierglycogeen → glucose → pyruvaat → lactaat
   • De anaerobe glycolyse is de omzetting van pyruvaat in lactaat (melkzuur) → hierbij wordt NAD⁺gegenereerd
   • Anaerobe verbranding is heel snel, maar levert minder ATP op
   • Spiercellen vinden de lactaatproductie niet fijn → verzuren (de pH daalt)
   • Het spierweefsel van een sporter bestaat uit witte spiervezels → kunnen makkelijk anaerobe processen aan gaan

De rode bloedcel is een cel die continu lactaat produceert → rode bloedcellen bevatten geen mitochondriën en moeten daarom glucose anaeroob afbreken. Hoewel de nadruk van de lactaatproductie in de spier ligt, vindt er dus een continue lactaatproductie door de rode bloedcellen plaats.

Cori-cyclus:

Omdat lactaat een zuur is kan het niet eindeloos worden gevormd. Dit wordt opgelost door de Cori-cyclus:

1. In de spier vindt anaerobe glycolyse plaats
2. De spier geeft lactaat af aan het bloed
3. Via het bloed gaat het lactaat naar de lever
4. In de lever wordt lactaat weer omgezet in pyruvaat en uiteindelijk in glucose → dit is de gluconeogenese
   • Kost 6 ATP
   • Tijdens vasten kunnen de nieren ook aan gluconeogenese doen

Mitochondriën:

Aerobe processen hebben de voorkeur over anaerobe processen. Om aerobe processen te bewerkstelligen zijn mitochondriën nodig:

1. Co-enzym A laat de reactie van pyruvaat naar acetyl-CoA verlopen
2. Acetyl-CoA gaat het mitochondriën in → de citroenzuurcyclus start
3. Acetyl-CoA reageert met oxaalazijnzuur → NADH en FADH₂ worden gevormd
4. NADH en FADH₂ gaan verder naar de elektronentransportketen → oxidatieve fosforylering
5. Ook dit vindt plaats in het mitochondriën
6. Elektronen van NADH worden afgegeven aan complex 1
7. Elektronen van FADH₂ worden afgegeven aan complex 2 → dit geeft geen pompen van protonen
8. Door de overdacht van elektronen worden protonen gepompt naar de intermembraanruimte → er wordt een protonengradiënt opgebouwd
9. Via ATP synthase gaan protonen terug → ATP wordt gevormd
10. Elektronen worden afgegeven aan zuurstof → vormt water
    • Dit is de reden waarom mensen zuurstof ademen

Elektronenoverdracht geeft dus pompen van protonen, die via complex 5 teruggaan. Dit geeft voldoende energie om ATP te genereren. Er is dus sprake van koppeling.

Eén glucosemolecuul levert in totaal 30-32 ATP:

• 2 ATP uit de glycolyse
• 2 ATP uit de citroenzuurcyclus
• 26 of 28 uit de oxidatieve fosforylering

Van glucose naar vetzuren:

De omzetting van glucose naar vetzuren kan niet andersom. Acetyl-CoA speelt een belangrijke rol:

1. Bij veel glucose-inname is er meer acetyl-CoA aanwezig dan nodig om te verbranden tot ATP
   • Acetyl-CoA zit goed opgeslagen in de mitochondriën → kan niet zomaar weg
2. Acetyl-CoA kan samen met oxaalacetaat omgezet worden naar citraat
3. Citraat verlaat het mitochondriën en wordt het cytosol in getransporteerd
4. In het cytosol wordt citraat omgezet tot acetyl-CoA
5. Uit acetyl-CoA worden vetzuren gemaakt

Het doel hiervan is om de glucose in het bloed op peil te houden.

Marathon:

Het energieverbruik tijdens een marathon verloopt anders dan tijdens een sprintje. Er zullen naast glucosemoleculen ook vetzuren afgebroken worden:

• Aeroob
  • Eerst spierglycogeen
  • Daarna leverglycogeen
• Vetzuren
  • Bèta-oxidatie: afbraak van vetzuren tot actetyl-CoA → kan de citroenzuurcyclus op
    • Levert ook FADH2en NADH op
  • Eén C16 vetzuur levert 106 ATP op

Vasten

Tijdens het vasten worden een aantal routes gekoppeld. De hersenen hebben een continue aanvoer van glucose nodig, maar:

• Spierglycogeen is alleen beschikbaar voor de spier → als spieren glycogeen nodig hebben, wordt het lokaal aangesproken en gebruikt
• Vetzuren (acetyl-CoA) kunnen door de mens niet omgezet worden in glucose
• Eiwitten zijn functioneel
• Gluconeogenese vindt met name plaats in de lever

Hier moet het lichaam dus rekening mee houden om de glucosevoorraad op peil te houden.

Kortdurig vasten:

Tijdens het vasten zouden de hersenen dus te weinig glucose krijgen. Dit wordt als volgt opgelost:

• Leverglycogeen wordt gebruikt door afgifte aan het bloed
  • De voorraad is echter niet groot
• Aminozuren worden via de glucose-alanine cyclus gebruikt
  1. Spiereiwit wordt afgebroken tot alanine
  2. Alanine wordt afgegeven aan het bloed → gaat naar de lever
  3. In de lever wordt alanine omgezet tot pyruvaat
  4. Pyruvaat gaat de gluconeogenese in → uit pyruvaat wordt glucose gevormd
  • Dit mag niet langdurig gebeuren → functieverlies
  • In alinine zit stikstof, dat via de ureumcyclus wordt omgezet in ureum en uitgescheiden wordt in de urine

Langdurig vasten:

Na enkele dagen vasten worden enzymen aangemaakt waardoor de hersenen ketonzuren (ketonlichamen) i.p.v. glucose als brandstof gaan gebruiken → bespaart glucose. Het lichaam gaat gebruik maken van de vetzuurvoorraad:

1. Bij de afbraak van vetzuren komen ketonlichamen vrij
2. Acetyl-CoA moet reageren met oxaalazijnzuur, maar soms er niet genoeg oxaalazijnzuur en kan de citroenzuurcyclus niet al het acetyl-CoA verwerken
3. Overgebleven acetyl-CoA reageert in de lever tot acetoacetaat, bèta-hydroxyboterzuur en aceton
   • Acetoacetaat en bèta-hydroxyboterzuur zijn ketonzuren
4. De hersenen gebruiken ketonzuren als brandstof
5. Bij lang vasten (of onbehandelde diabates) komt er een acetongeur uit de mond
6. Na 60 dagen wordt overgeschakeld op de eiwitten en vindt spierafbraak (bijv. van hart en longen) plaats → dit is dodelijk

Bij onbehandelde diabetes is er een ongecontroleerde ketonzuurvorming → ketoacidose. Dit is levensbedreigend. Bij een aantal dagen vasten is dit beperkt en is er geen schade.