Bevat het eerste gedeelte van de collegeaantekeningen van 2014-2015

Week 1 

Oxidatieve fosforylering 1 & 2

Eiwitcomplexen worden gebruikt om energie uit chemische verbindingen om te zetten in energie van een gradiënt. Deze eiwitcomplexen vormen samen met ATP synthase de ademhalingsketen en zitten in het binnenmembraan van mitochondria.

Er zijn 4 complexen. Complex I, III en IV transporteren protonen naar de ruimte tussen de 2 membranen van de mitochondria. Complex II kan geen protonen transporteren. Complex IV is cytochroom-c-oxidase, en is ook belangrijk bij de citroenzuurcyclus. Het zorgt voor de overdracht van elektronen aan O2, waardoor dat omgezet wordt tot H2O.

De loop van elektronen door de complexen verloopt door redox-reacties. Dit werkt maar 1 kant op. Complex I (NADH dehydrogenase) krijgt elektronen van NADH, waardoor dat weer NAD+ wordt. Via een aantal stapjes wordt ubiquinon (Q) hierbij omgezet in ubiquinol (QH2). Q is een molecuul dat je kan oxideren en reduceren. Ubiquinol is hydrofoob en beweegt binnen het binnenmembraan heen en weer. Daardoor kan het zorgen voor de overdracht van elektronen. Als NADH langs komt leidt dat dus tot een elektronengradiënt.

 Per NADH-molecuul worden in complex I 4 protonen naar de tussenmembraan ruimte gebracht. Complex I bestaat uit 45 subunits. 1 proton wordt chemisch overgebracht, de andere drie worden getransporteerd door kanalen.

Complex II (succinaat dehydrogenase, ook wel Q-reductase) lijkt op complex I, maar gebruikt FADH2 (in plaats van NADH) als substraat. Dit complex zet geen protonen over. Bij de ademhalingsketen wordt gebruik gemaakt van complex I of van complex II, nooit beide achter elkaar.

Complex III gebruikt de elektronen van QH2 om cytochroom bc-1 (vandaar de naar cytochroom bc-1-complex) op te laden via een redox-reactie. Cyt-bc-1 is hydrofoob en kan zo ook zijn elektronen door het membraan naar complex IV transporteren. Complex III zorgt net als complex I voor de overdracht van 4 protonen van de matrix naar de intermembrane ruimte.

Complex IV is dus cytochroom-c-oxidase. Het kan elektronen van cytochroom-bc-1 overdragen op ijzer en koper. Deze stoffen kunnen dan zuurstof binden waarna de zuurstof wordt gereduceerd tot water. Hierbij worden eveneens 4 protonen overgezet. Dit complex pompt iets minder protonennaar de andere kant dan het eerste complex.

In totaal worden er dus 10 protonen verplaatst als complex I, III en IV alledrie meewerken. Dit is alleen het geval als NADH het substraat is. FADH2 kan ook het substraat zijn. In dat geval doet complex I niet mee met de reactie, en komt complex II ervoor in de plaats. De protonengradiënt is dan minder groot, omdat complex II zelf geen protonen overzet.

Er worden dan dus in totaal 8 protonen verplaatst. Per molecuul NADH is 1 atoom zuurstof nodig om 1 H2O te maken.

.

Door de elektronen-flow wordt de H+-gradiënt over het mitochondriale binnenmembraan gegenereerd. Deze kan opgebouwd worden tot een bepaald niveau. Als het maximum van deze gradiënt bereikt is (denk aan een vol stuwmeer of een batterij) kan NADH niet meer geoxideerd worden, en dan stopt de ademhalingsketen. De complexen stoppen dan met elektronen doorgeven (het systeem is in rust).

De protonen-gradiënt is de drijvende kracht voor ATP-synthese (proton-motive force (deltaP)). ATP-synthase (in staat om protonen binnen te laten) is een eiwit dat ook in het binnenmembraan van de mitochondriën zit. Het werkt als een soort dynamo, het gebruikt de gradient om rond te draaien. H+ wordt verplaatst met de gradiënt mee (dus de matrix in) en ADP wordt daarbij omgezet naar ATP. H+ kan hierbij normaal gesproken alleen verplaatst worden van extracellulair naar intracellulair. Het eiwit werkt als volgt: protonen gaan door een kanaaltje in dit eiwit. Dit kan alleen als de H+ protonen eerst een hele ronde hebben gemaakt door de C subunit. Dit doet de  proton omdat deze subunit draait. De draaiing veroorzaakt de conformaties in het onderste unit, waardoor ADP kan worden omgezet in ATP. Dit systeem zal altijd proberen om helemaal opgeladen te zijn. Het zal dus altijd proberen z'n maximum te bereiken.

De elektronenflow vindt alleen plaats als er genoeg ADP aanwezig is voor H+ om om te zetten in ATP. Als er veel ATP in een cel is, komt de gradiënt aan zijn maximum, de protonen zullen niet terugstromen de matrix in. De omzetting van NADH naar NAD+ stopt dan ook.

Per molecuul NADH worden 3 ADP omgezet naar ATP. Wanneer complex II wordt gebruikt wordt er geen NADH maar FADH2 gebruikt. Hierbij wordt per FADH2 molecuul 2 ATP gesynthetiseerd.

ATP-synthase bestaat uit een aantal subunit-eiwitten. Een proton kan in een bepaald subeiwit gaan zitten. Deze wordt dan gebonden, waarna de c-ring van het complex gaat draaien. De opening is dan weer vrij omdat het proton is weggedraaid en een nieuw proton kan binden aan het eiwit. Zo draait het complex verder. Als een proton een heel rondje heeft gemaakt ‘valt’ hij uit een subunit van het complex in het cytoplasma.

Een deel van het ATP-synthase zit in de membraan, een deel zit in de matrix. Het complex in de matrix verandert steeds van conformatie voor de omzetting van ADP tot ATP. 

Omdat moleculen als NADH niet zomaar door membranen heenkunnen zijn er redox shuttles nodig om H+ door te geven aan het mitochondriale binnenmembraan. Van deze shuttles zijn er 2 verschillende. Bij de aspartaat shuttle ontstaat NAD+ uit NADH, daarbij wordt malaat gevormd. Dit kan het binnenmembraan passeren en kan NADH synthetiseren in de matrix. Zo kan NADH de matrix binnen gebracht worden. (hierbij is er geen ATP verlies). Bij de tweede shuttle (G) wordt ook NADH gebruikt maar daaruit wordt FADH2 gesynthetiseerd. Deze shuttle is een stuk sneller dan de aspartaat shuttle, maar hij is wel minder effectief omdat FADH2 uiteindelijk minder ATP oplevert dan NADH. Er is dan verlies van 1 ATP.

Omdat er dus twee transportsystemen zijn kunnen er of 36 óf 38 ATP uit één glucosemolecuul gehaald worden. Dit is afhankelijk van welke redox-shuttle er wordt gebruikt, en dus of complex I of complex II van de ademhalingsketen wordt doorlopen.

De ATP synthese en ademhalingsketen zijn strikt gekoppelde processen.

Bij een lage vraag naar energie is de hoeveelheid ATP in de cel relatief hoog en de O2-opname daardoor laag. Bij een hoge energie behoefte is dat juist andersom. Hierbij krijg je dus ADP terug. Dan kan het proces van ATP synthase sneller lopen en neemt de gradiënt af. Dit heet de ademhalingscontrole. De drijfveer hiervoor is dus de concentratie ATP. Het aanvullen van de gradiënt kost zuurstof. Zuurstofspanning is in het begin maximaal. Ga je zuurstof verbruiken dan neemt dat af. Voeg je ADP extern toe dan neemt zuurstofverbruik toe en zuurstofspanning dus af. Als je ADP op is dan neemt zuurstofverbruik af.  

Bij ontkoppeling van de ademhaling van de ATP-synthase, door bijvoorbeeld zwakke zuren of basen, wordt er geen ATP gesynthetiseerd terwijl er wel protonen verplaatst worden. Dit noem je ook wel H+ lekkage. Hierdoor ontstaat warmte-ontwikkeling. In dit geval is er wel veel O2-opname omdat complex IV (wat O2 gebruikt) wel doorlopen wordt om de protonen gradiënt te onderhouden. Bij ontkoppeling krijg je een hoge zuurstof consumptie. Er is dan geen ATP vorming maar vorming van  warmte. Er zijn ontkoppelingseiwitten en een chemische vorm van ontkoppeling.

Een voorbeeld van een middel (chemische ontkoppeling) dat zorgt voor ontkoppeling is 2,4-dinitrophenol. Dit zorgt er dus voor dat protonen onafhankelijk van ADP (oftewel de ATP-behoefte) verplaatst kunnen worden. Dit zorgt voor warmteproductie. Dit middel is een bekend middel om af te vallen. Een teveel aan vrije vetzuren kan ook voor ontkoppeling zorgen. Dan is er lekkage van tussenmembraan naar matrix. Dit kan ook via kanaaltjes gaan. Het gewenste effect is om dit alleen in vetcellen te laten gebeuren. Maar dit gebeurd ook in spiercellen.

XTC werkt op het ontkoppelingsproteïne 3. Daardoor is er minder ATP-productie en loopt de temperatuur van het lichaam op.

Bruin vet bevat veel mitochondriën. In die mitochondriën zitten heel veel koppelingseiwitten. Het is bedoeld voor warmte-productie en levert geen ATP. Dit vet komt voor bij jonge kinderen en bepaalde diersoorten. Het blijkt nu ook in volwassenen te bestaan als ze worden blootgesteld aan kou.  

Remmers van de ademhalingsketen kunnen heel gevaarlijk zijn (zeer giftig). Door remming van complex I is er geen NADH-oxidatie meer, maar het proces kan dan nog via complex II verlopen.

Cyanide (meest giftig van allen) en CO remmen complex IV. Er wordt dan geen O2 meer gereduceerd tot water, de ademhalingsketen ligt stil en er wordt geen ATP geproduceerd. Ook ATP-synthaseremmers leggen de ademhalingsketen stil. Al deze remmers en de ontkoppelingsstofjes zorgen voor een daling van de pO2.

Enzymen

Eiwitten:

Bouw eiwitten: eiwitten zijn polypeptide ketens opgebouwd uit aminozuren. Iedere aminozuur heeft een andere zijketen. Hoe wordt zo'n streng met verschillende zijketens opgevouwen? Eerst tot secundaire structuren die dan via contacten onderling tot een tertiaire structuur komt. Queternaire structuur is als er meer van dezelfde of verschillende weer aan elkaar zitten. Echte effecten van een mutatie komt pas op het niveau van het eiwit tot uitting. Je hebt verschillende vormen van secundaire structuren: alfa helix en beta sheet. Het vouwen van eiwitten kan fout gaan, dan kan je een plaque of klontering krijgen. Voorbeeld van een plaque is alzheimers. Ook kan de functie van eiwitten verslechterd zijn. Gevolgen daarvan zijn metabole aandoeningen (MCAD), stapelingsziekten..

Metabole regulatie door enzymen: Elke reactie heeft minimaal één enzym die de reactie mogelijk maakt. Het is vaak zo dat een eindproduct van een kettingreactie de regulering is voor de activatie van die keten. Dit heet feedback reactie. 

Enzym nomenclatuur: meestal zijn ze genoemd naar het substraat met ase erachter. Substraat +-ase. voorbeeld: hexose -> hexosefosfaat. Het enzym die dat mogelijk maakt heet dan hexokinase. Een enzym wordt niet opgebruikt bij katalysering. Om een reactie te laten plaatsvinden moet het beginproduct een activeringsenergie krijgen. Een enzym kan de evenwicht van een reactie niet verleggen, alleen versnellen. Een enzym is dus een katalysator. Het versnelt de reactie omdat de activeringsenergie verhoogt wordt. Een enzym pakt een substraat en doet daar iets mee (het valt niet zomaar uit elkaar). Bijvoorbeeld ze vervormen het of geven het een lading. Ze verlagen de overgangsenergie en activeren/destabiliseren substraatmoleculen. Je hebt 2 fases: binding van het substraat aan het enzym, dit is reversibel; loslaten van product, dit is irreversibel. Km beschrijft stap 1 (interactie van enzym met substraat). Vmax beschrijft stap 2 (maximale snelheid van de omzetting).

Geneesmiddelen grijpen aan op enzymen. Heel veel geneesmiddelen zijn dus enzymremmers. Enzymen zijn proteïnen en bestaan dus uit een gevouwen keten aminozuren.

Bij metabole netwerken is te zien via welke routes bepaalde stoffen worden omgezet in andere. Hierbij geldt dat elke omzetting van het ene stofje naar een ander plaatsvindt onder invloed van enzymen. Elke reactie wordt uitgevoerd door één bepaald enzym. Bij metabole routes zijn er verschillende stappen aanwezig en zijn er dus ook meerdere enzymen nodig.

Het substraat is het startproduct, het product het eindproduct, en tegelijkertijd vaak substraat voor het volgende enzym van de route.

Om een stof om te zetten moet het enzym eerst aan het substraat binden. Dan vindt de omzetting zelf plaats en daarna komt het product vrij van het enzym. Het enzym blijft hierbij onveranderd en kan dus daarna weer een nieuw substraat binden en omzetten.

De binding vindt plaats in het actieve centrum van het enzym.

Een substraat heeft een bepaalde energie en het product heeft ook een bepaalde hoeveelheid energie. De activatie-energie is de energie die nodig is om een substraat om te zetten naar een product. Het verwarmen van de stoffen zou kunnen helpen omzettingen sneller plaats te laten vinden, maar binnen het menselijk lichaam is dat niet mogelijk. Daarom verlagen enzymen de activatie-energie en maken zo de reactie mogelijk. Zolang er geen ATP wordt toegevoegd zijn omzettingen alleen mogelijk als het substraat een hogere energie heeft dan het product. Dit verschil tussen de energie van het substraat en het product heet ΔG. Reacties kunnen dus alleen zonder ATP verlopen als ΔG

Enzymen veranderen dus wel de kinetiek, maar niet de thermodynamica.

De binding van een enzym aan een substraat is reversibel, maar de omzetting niet.

Wanneer aan een oplossing met een bepaalde hoeveelheid enzymen een bepaalde hoeveelheid substraat wordt toegevoegd, zal omzetting van dat substraat sneller plaatsvinden naarmate er meer substraat wordt toegevoegd. Uiteindelijk zal er echter een maximum snelheid van omzetting bereikt worden, namelijk het moment waarop alle enzymen tegelijk bezet zijn. De hoeveelheid substraat waarbij deze snelheid van omzetting de helft van de maximale snelheid is, is de Michaelis-Menten-constante (K_m). (K_m is de concentratie van het substraat bij V_max/2) Km is dus een concentratie. Dit bepaalt de kromming van je curve. Hierbij zijn de helft van de enzymen gevuld met substraat. Als deze constante hoog ligt, ligt de affiniteit van het substraat (de mate waarin hij aan het enzym kan binden) laag en andersom ligt de affiniteit hoog als de constante laag is. v=vmax(s)/km+s

Het gebonden substraat dat omgezet is, wordt berekend door V_max x K_cat. K_cat is het aantal omzettingen per seconde. Kcat is eigenlijk hetzelfde als de Vmax. Kcat gaat over hoeveel 1 enzym kan omzetten per seconden. De affiniteit wordt vaak uitgedrukt in Units (micromol/seconde).

K_men V_max (de maximale snelheid van omzetting) zijn specifiek voor een bepaald enzym. K_cat is het aantal omzettingen per seconde per enzym, oftewel het turnover-getal. Ook dit is specifiek voor een bepaald enzym. K_m geeft de affiniteit voor een substraat weer. V wordt berekend door V= K_cat x [enzym]. Dit kan veranderd worden door een enzym te veranderen, bijvoorbeeld door het te fosforyleren.

Enzymen zijn heel specifiek en binden dus meestal maar 1 bepaald substraat. Dit komt doordat hun binding site een heel specifieke vorm heeft.

In de bindingsite vindt dus de interactie tussen enzym en substraat plaats. De katalyse vindt op een andere plek plaats.

Remming van enzymen:

Veel geneesmiddelen remmen enzymen. Er zijn verschillende soorten enzymremmers.

Competitieve remmers (competitatieve inhibitors) competeren met het substraat. Deze remmers binden (reversibel) aan het enzym in de binding site (dus niet aan de katalytische site). Hierdoor wordt K_m beïnvloed, deze heet dan de gemeten K_m. De waarde van K_m stijgt dan, waardoor de affiniteit daalt. V_max wordt niet beïnvloed want K_cat blijft hetzelfde. De K_m-waarde van remmers is vaak lager dan die van het eigenlijke substraat, waardoor de affiniteit van de remmer hoger is en het beter aan het enzym bindt dan het substraat. Bij het maken van een remmer gaat men dan ook meestal uit van het substraat, waar men een groep met een hogere affiniteit aan plakt. Een enorm hoge substraataanwezigheid is uiteraard laboratorium condities. Dat vindt niet plaats in het lichaam. Turnover wordt door remmers dus langzamer. . Dus: initiele reactiesnelheid gaat omlaag en de affiniteit dus ook, maar de km gaat omhoog. De remmer lijkt per definitie op het substraat. 

Niet competitieve remmers hebben effect op de katalytische site.

Deze remmers kunnen irreversibel of reversibel zijn. Aspirine is een voorbeeld van een irreversibele remmer, ibuprofen van een reversibele.

Aspirine remt COX door het toegangskanaaltje van het enzym te blokkeren. Aspirine bindt daar met zijn acetylgroep. Als aspirine daar eenmaal heeft gebonden, zal het COX-enzym nooit meer kunnen functioneren. Irreversibele remmers ‘doden’ dus eigenlijk het enzym. Hierbij gaat de V_max omlaag (doordat er minder werkzame enzymen zijn) en de K_m omhoog. K_cat blijft gelijk omdat de enzymen die niet aan aspirine gebonden zijn nog normaal functioneren en dus dezelfde K_cat hebben.

Activatie van enzymen kan door fosforylering (sommige enzymen worden hier juist door geremd).Wat er gebeurt is dat een kinase een fosfaat groep op een enzym wordt gezet. Je voegt twee negatieve ladingen toe aan een eiwit. Het is reversibel. Het is niet altijd zo dat enzym aan staat als hij gefosforylering en uit bij defosforylering. Soms is het ook andersom.  Serine/threonine en tyrosines kunnen gefosforyleerd worden. Andere vorm van regulering is knippen. Pro-enzymen zijn enzymen die niet functioneel zijn doordat er nog een pro-gedeelte aan gekoppeld zit wat het actieve centrum blokkeert. Als dit gedeelte wordt afgeknipt wordt het enzym geactiveerd. Dit is een veelgebruikt mechanisme in cascades zoals de proteolytische cascade.

Nog een andere vorm is binding. De vorm verandert dan. Allostere remmers of activators binden covalent buiten het actieve centrum, waardoor het enzym geïnactiveerd wordt. Dit komt dan doordat het enzym van vorm veranderd waardoor het substraat niet meer aan de binding site kan binden. Door positieve allostere activators wordt het enzym actiever. De K_m komt dan lager te liggen. Bij allostere remmers gebeurt het tegenovergestelde.

Enzymen kunnen ook ge(in)activeerd worden door (negatieve) terugkoppelingen.

Weefsel-specifieke iso-enzymen  (isozymen) zijn verschillende enzymen (van een ander gen) die dezelfde reactie kunnen katalyseren. Echter, ze hebben andere katalytische eigenschappen. (hogere of lagere Km of Affiniteit). Zo kan onder bepaalde omstandigheden het ene enzym beter functioneren, terwijl het andere juist op andere momenten of in een ander weefsel actiever is (bijvoorbeeld door aanwezigheid van veel substraat). Een voorbeelden van 2 bekende iso-enzymen zijn hexokinase en glucokinase.

Membraantransport

Enzymreacties worden vaak afgeschermd in bepaalde organellen door membranen. Transport door die membranen is lastig, vooral voor grotere, geladen/polaire moleculen.

In alle membranen zitten transporters (eiwitten) voor bepaalde stoffen. Zo kunnen bijvoorbeeld protonen lysosomen binnenkomen. Die transporters zijn (gedeeltelijk) hydrofoob en blijven dus goed zitten in membranen. Sommige moleculen kunnen door poorten diffunderen (door poriën), dus van de hoge naar lage concentraties. Dit is gefaciliteerde diffusie. Passief transport kan op 3 manieren: over membraan heen, door kanaaltjes (channels) en door transformers.

Het verplaatsen van stoffen tegen de concentratiegradiënt in kost energie. Channels zijn kanalen die een bepaald molecuul doorlaten van een hoge naar een lage concentratie.

Bij transformers komt substraat binnen waardoor het eiwit verandert van vorm. Daarna kan het substraat eruit. Dit kan zowel passief als actief.

Unipoorten verplaatsen 1 molecuul. Sympoorten verplaatsen meerdere moleculen in dezelfde richting en antipoorten meerdere moleculen in tegengestelde richting.

Poriën staan altijd open. Ze hebben een hydrofobe buitenkant waarmee ze tegen de lipide dubbellaag aanliggen. Samen met carriërs vormen ze het passieve transport.

Aquaporines zijn kanalen speciaal voor water. Ze komen vooral voor in organen zoals de nieren waar veel water doorheen moet. Ze bevatten amphipatische helices. Deze kunnen een reactie aangaan met vet aan de ene en water aan de andere kant.

Transporters zijn specifiek, omdat ze maar bepaalde bindingen aan kunnen gaan. Zo kunnen ze bijvoorbeeld het ene ion wel, maar het andere niet transporteren.

Er is een groot verschil in ion-concentraties tussen intra- en extracellulair. Vooral bij Natrium, Chloride en Kalium scheelt dit heel veel.

kinetiek van membraantransport:

De snelheid van carriers (die dus geen ATP nodig hebben) hangt af van de concentratie van de te verplaatsen stof, het aantal transporters en de affiniteit van de transporters. Hierbij geldt dat verplaatsen van een stof een verzadigbaar proces is, omdat bij een bepaalde concentratie van een stof alle transporters bezet kunnen zijn. Het maximale ‘transport rate’ heet T_max. De K_t is de concentratie van het substraat waarbij de T de helft van de maximale waarde is en dus de helft van de transporters bezet zijn.

De grafieken van ezym reacties (K_m en V_max) zijn dus vergelijkbaar met die van gefaciliteerd transport (K_t en T_max). Net als dat enzymen het evenwicht niet kunnen veranderen, kunnen de transporters dat ook niet. snelheid is afhankelijk van aantal transporters, affiniteit en de transportsnelheid. Er zijn vele GLUT transporters met allemaal een verschillende Kt en die werken bij verschillende omstandigheden.

Bij actief transport wordt ATP verbruikt. Dit gebeurt door carrier-proteïnen en gaat tegen de concentratiegradiënt in. Een voorbeeld van actief transport is de NaK-ATPase-pomp. Deze komt in het hele lichaam voor. In de darmcellen zit hij aan de kant van het bloedvat, samen met glucosetransporters. De GlucoseNatrium-pomp zit aan de kant van het darmlumen.

De NaK-ATPase-pomp is een voorbeeld van een antiporter. Natrium wordt naar buiten gepompt en Kalium komt de cel binnen. Deze pomp is primair actief (hij verbruikt zelf de benodigde ATP). Dit is een P-type ATPase, dat wil zeggen, een ATPase die gefosforyleerd kan worden.

De GlucoseNatriumpomp (SGLT1) werkt als volgt. Natrium ‘wil’ naar binnen stromen door het concentratieverschil. Door deze drijvende kracht wordt glucose ook mee de cel in gevoerd (deze pomp is namelijk een symporter). Deze pomp is secundair actief, omdat er indirect ATP voor nodig is (er moet immers een gradiënt opgebouwd worden). Maar die ATP wordt niet door de pomp zelf verbruikt, maar door een andere pomp, die het Na+ de cel weer uitpompt. Dit is noodzakelijk omdat er zo een chemische gradiënt (verschil in concentratie) over het membraan blijft bestaan. Als het Na+ in de cel zou blijven, dan zou de SGLT1 al snel niet meer werken, en zou er dus geen glucose meer worden opgenomen uit de darmen.

In de nieren komt SGLT 2 voor, die 1 Na+ en 1 glucosemolecuul tegelijk verplaatst.

De SGLT1, die in de darm zit, verplaatst 2 Na+ en 1 glucosemolecuul tegelijk.

De GLUT is een uniporter die glucose passief naar het bloed transporteert. Er zijn verschillende GLUTs actief in verschillende cellen. GLUT 1 en 3 komen voor in alle cellen en zijn belangrijk voor de basale glucose-opname. Deze pompen zijn al actief bij een lage concentratie van glucose in het bloed (1mM). GLUT 2 zit in lever-, darm- en β-cellen. Het zorgt voor opname van een teveel aan glucose (bijvoorbeeld vlak na de maaltijd), afgifte van glucose aan het bloed en de productie van insuline. Deze GLUT is alleen actief bij een hoge K_t-waarde (15-20 mM) en heeft dus een lage affiniteit. GLUT 4 komt voor in spier- en vetcellen en is alleen actief in de aanwezigheid van insuline. GLUT5 is in de darm belangrijk voor het transport van fructose en glucose.

GLUT4 zit in spier- en vetcellen in vesikels opgeslagen in de cel. Onder invloed van insuline worden deze naar het membraan verplaatst. De vesikels versmelten dan met het plasmamembraan. De insulinespiegel bepaalt dus of de GLUT4-transporters actief zijn of niet.

Bij meerdere transporters wordt door bepaalde hormonen gereguleerd of ze al dan niet op het plasmamembraan komen te liggen. Zo kan ook H+ op deze manier de cel verlaten. Ook is er een H+/K+ -ATPase pomp. Daarbij wordt H+ de cel uit gepompt en K+ de cel in.

Glycolyse en citroenzuurcyclus

Eerst wordt er ATP in de glycolyse gestopt. De eerste reactie is de activering van glucose. Hexokinase zet een fosfaatgroep aan glucose. Op het moment dat je een fosfaatgroep op glucose zet, kan het niet meer door het membraan. De cel herkent geen geladen glucose, alleen ongeladen. Het is dus een methode om glucose in de cel te houden. Het stabiliseert ook de overgangstoestand. De eerste stap kost 2 ATP.

Tweede stap is de splitting stage. Je bent nu van C6 naar 2 C3 gegaan. (je moet dus ATP keer 2 doen). Als de cel alleen dit zou doen zou het een korte levensduur hebben. Daarom doet een cel ook aan het opladen van NAD+. Als er te veel zuurstof wordt gebruikt dan zouden de C3's ophopen. Dit wordt opgelost door de reactie van pyruvaat naar lactaat waarbij weer NAD+ wordt gevormd waardoor de stap van de C3's weer kan lopen doordat NAD+ weer kan worden opgeladen (anaerobe glycolyse).

Er wordt dan pyruvaat gevormd. Dit kan omgezet worden naar lactaat. Daarbij wordt NAD+ uit NADH+ H⁺ gevormd. Het lactaat gaat dan naar de lever. Het NAD+ wordt in de glycolyse hergebruikt. Het komt te pas bij de omzetting van triosefosfaten (de C3-moleculen) naar fosfoenolpyruvaat, wat daarna wordt omgezet naar pyruvaat. Hierbij wordt dan de NAD+ omgezet naar NADH+ H⁺ (recycling), die daarna gebruikt kan worden voor de omzetting van pyruvaat naar lactaat.

Je hebt ook andere vormen van ATP opslag, bijvoorbeeld creatine fosfaat, dat heeft dubbele energie opslag als ATP opslag. Alle ATP komt in feite uit de fosforylering in de mitochondriën. Als je geen zuurstofaanvoer hebt kan je dit nooit met alleen glycolyse volhouden.

Glucose komt de cel in door GLUT transporters, dat zijn passieve poortjes in het membraan. Maar in de darmcel zit er een actieve glucose transporter. Deze pompt restjes glucose tegen de concentratiegradient in de cel in.

Erythrocyten verschillen in veel opzichten van doorsnee cellen. Zo hebben ze geen kern, geen ER, geen ribosomen en geen mitochondriën. Daardoor kunnen ze zelf niet erg effectief ATP maken, omdat er geen oxidatieve fosforylering kan plaatsvinden. Er kan dan slechts netto 2ATP worden gehaald uit een glucosemolecuul. Energie moet dus op een andere manier verkregen worden. Erythrocyten doen aan anaerobe glycolyse. 

Bij de rode bloedcel kijken we alleen van glucose naar pyruvaat. afbraak en opbouw vindt in verschillende compartimenten van de cel plaats. Je kan ze dus apart van elkaar zien. Glycolyse vindt in elke cel van het menselijk lichaam plaats. Zonder mitochondriën krijg je maar weinig ATP uit glucose, maar wel heel snel. Een sprinter gebruikt zoveel zuurstof dat mitochondriën het niet kunnen bijbenen. Hierdoor verzuren de spieren door vorming van lactaat.

Er zijn verschillende metabole routes in de cel, die in verschillende delen van de cel plaatsvinden. De glycolyse vindt plaats in het cytoplasma. Dit gedeelte is dus nog wel mogelijk voor erythrocyten. Hierbij wordt glucose via een aantal stappen omgezet in pyruvaat. Het pyruvaat kan daarna omgezet worden in lactaat onder vorming van NAD+. De eerste stap van de glycolyse is de omzetting van glucose in glucose 6-fosfaat. Dit gebeurt doordat hexokinase (in erythrocyten, hersenen en spieren) een fosfaatgroep aan glucose plakt en een H+ afkoppelt. Dit is een stap die ATP kost.

Wanneer een glucosemolecuul een erythrocyt binnengaat, wordt er dus gelijk een fosfaatgroep aangeplakt. Dit zorgt ervoor dat het glucosemolecuul de cel niet meer uit kan migreren, omdat de transporters het molecuul niet meer herkennen.

Ook glucokinase kan deze reactie laten verlopen (in de lever).

Daarna wordt het glucose 6-fosfaat omgezet naar fructose 6-fosfaat. Vervolgens wordt dat omgezet naar fructose 1,6-difosfaat door aankoppeling van nog een fosfaatgroep. Dat kost ATP. Dit aankoppelen van fosfaatgroepen heet de investment fase en kost in totaal 2 ATP. Als het gevormd is tot lactaat kan het de cel weer uit en naar andere organen gaan.

Vooral bij intensieve inspanning wordt door anaerobe glycolyse veel lactaat gevormd. Bij minder intensieve, lang aanhoudende inspanning, gebeurt dit niet, maar wordt het pyruvaat via de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering verder afgebroken waarbij meer ATP wordt gevormd (aerobe verbranding).

Een erythrocyt heeft een enzym nodig met een lage Km, dus met een hoge affiniteit, omdat hij helemaal afhankelijk is van glycolyse voor zijn energie. Hexokinase zorgt ervoor dat zo’n beetje elk glucosedeeltje dat voorbij komt wordt opgenomen. De lever heeft niet per se veel glucose nodig, maar moet vooral glucose opnemen als er ook veel glucose in het bloed aanwezig is (na de maaltijd). Daardoor kan hij het omzetten naar glycogeen en blijft de glucoseconcentratie in het bloed constant.

Hexokinase kan ook aan glucose-6-fosfaat binden. Als dat gebeurt, kan glucose minder goed binden aan hexokinas. Bij een hoge concentratie glucose-6-fosfaat wordt dus minder glucose gebonden. Op deze manier remt de aanwezigheid van veel G-6-F dus de werking van hexokinase.

Wanneer  er veel ATP in de cel is wordt het enzym phosphofructokinase geremd. Daardoor wordt de omzetting naar fructose 1,6-bifosfaat geremd. Bij een hoge concentratie AMP wordt dit enzym, en daarmee de omzetting naar fructose 1,6-bifosfaat, juist gestimuleerd. AMP wordt gevormd door de omzetting van 2ADP.

Afhankelijk van concentraties van sommige componenten van de keten verloopt de reactie een bepaalde kant op. Daardoor kan de vorming van ATP gereguleerd worden. Is er al veel ATP aanwezig, dan hoeven de reacties minder (snel) te verlopen.

De reactie van fosfoenolpyruvaat naar pyruvaat kan maar één kant op verlopen (dus naar pyruvaat toe). Deze omzetting wordt gereguleerd door pyruvaatkinase. Dit enzym wordt gereguleerd door fructose-1,6-bifosfaat. Bij een hoge concentratie hiervan wordt het pyruvaatkinase gestimuleerd (en kan de cel zich ‘voorbereiden’ op de omzetting naar pyruvaat.) Dit is bijvoorbeeld vooral belangrijk bij hoge activiteit van spieren.

Niet alle enzym-routes komen in alle organen of cellen tot expressie. En de regulatie van deze routes gebeurd op verschillende niveau’s. 

Hersenen kunnen geen vetzuren verbranden. Dat is waarschijnlijk omdat myelineschedes vol zitten met lipides. Als de hersenen vetzuren zouden kunnen verbranden, zou hij ook zijn eigen myelineschedes kunnen gaan verbranden, waardoor er geen isolatie meer is en er ‘kortsluiting’ zou ontstaan. De hersenen hebben wel mitochondriën en na de glycolyse wordt het pyruvaat dus naar de citroenzuurcyclus gebracht, welke in de mitochondriën plaatsvindt.

Bij de citroenzuurcyclus vormen acetyl-coenzym-A (2 C-atomen) en oxaalacetaat (4 C-atomen) samen citraat. Deze gaat door de citroenzuurcyclus heen, waarin het wordt omgezet tot 2CO₂ en weer een oxaloacetaat. Hierbij wordt ook energie gevormd, namelijk een GTP, 3 NADH (3x 3ATP) en een FADH₂ (1x 2ATP). Dit is dus in totaal 12 ATP.

Hiervoor wordt dan eerst pyruvaat omgezet naar acetyl-coenzym-A. Dit is een overgang van een C3- naar een C2-verbinding. Dit levert een CO₂ + NADH op, dus 3 ATP. Deze reactie wordt uitgevoerd tot pyruvaatdehydrogenase (PDH).

In de glycolyse wordt dus netto 2 ATP gevormd. Daarbij worden ook 2 NADH gevormd, wat gelijk staat aan 6 ATP. Dit is dus in totaal 8 ATP. In de omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA worden ook 2NADH gevormd, oftewel 6 ATP. Daarna wordt in de citroenzuurcyclus 24 ATP gevormd (deze wordt namelijk twee keer doorlopen). In totaal kom je dan uit op 38 ATP.

Maar om door het mitochondriale binnenmembraan heen te komen, heeft NADH shuttles nodig. Dit kan op twee manieren. De glycerol-fosfaatshuttle is heel snel, maar zet NADH om naar FADH2, waardoor ATP verloren gaat (FADH2 levert 2 ATP op en NADH 3). De malaat-aspartaatshuttle is minder snel, maar zorgt wel dat NADH de matrix binnenkomt in plaats van FADH2 (zuiniger). Hierdoor kan het verschillen of er 36 of 38 ATP uit een glucose-molecuul gevormd worden.