Bevat het tweede gedeelte van de collegeaantekeningen van 2014-2015

WEEK 2

Hoorcollege Inspanning en temperatuur regulatie

Bij inspanning neemt de kerntemperatuur toe. Deze warmte kan men kwijtraken door te zweten en door vasodilatatie (rood worden). De kerntemperatuur heeft een vaste waarde (set point). Als deze temperatuur, bijvoorbeeld door inspanning, iets afwijkt van het normaal, reageert het lichaam daar direct op. De temperatuur van de perifere organen is meer flexibel

Waarom wordt glucose in glycogeen opgeslagen? Dit heeft te maken met osmose. Één molecuul glycogeen heeft dezelfde osmostische waarde als één molecuul glucose. Het wordt dus tot glycogeen omgezet om de osmotische waarde niet uit de hand te laten lopen in een cel. Als je dit niet zou doen zou er teveel water in de cel komen en zal de cel gaan zwellen. Dit kunnen de cellen niet aan. Hersenen hebben daar het meeste last van want de zwellende cellen kunnen nergens heen doordat de hersenpan hen beperkt. Hierdoor komt er teveel druk op de hersenen te staan.

Een spiervezel bestaat uit 15 miljard myosine filamenten, die elk 2500 ATP/sec kunnen verbranden. Een gemiddeld persoon verbruikt per dag zo’n 60-63 kg ATP. ATP is nodig voor beweging, transport en chemische processen. Er is slechts voldoende ATP in het lichaam voor een paar seconden inspanning. Daarna wordt de acute voorraad creatinefosfaat aangesproken. Ook deze voorraad, de extra energiebuffer, gaat maar heel kort mee (+/- 10 sec). Daarna wordt glycogeen omgezet in glucose. Door glycolyse, de krebcyclus (CZC) en de ademhalingsketen wordt ATP gevormd. Uit 1 glucose-molecuul kunnen 36 ATP gevormd worden. Om te meten hoeveel energie er verbruikt wordt meet je de CO2 productie en de O2 opname.

Bij een piekinspanning vindt melkzuurvorming plaats. Dan is er onvoldoende lactaat afvoering. Glucose wordt nu naar pyruvaat omgezet wat niet efficient is. Je hebt bij inspanning dus meer energie nodig. 1/3 van de ATP levert nog steeds energie maar 2/3 gebeurt inefficiënt in de vorm van warmte. De meeste ATP wordt dan gevormd tijdens de glycolyse. Deze is dan anaeroob en inefficiënt. De mitochondriën leveren dan ook nog wat ATP. \ Na een piekinspanning vindt herstel van het O2-gehalte plaats. Dit heet ook wel EPOC (excess postexercise oxygen consumption) en duurt minder lang bij getrainde mensen. Bij een hoge inspanning hoopt zich namelijk een O2-schuld op. Dit gebeurt ook bij en lage inspanning, maar daar is deze schuld niet zo hoog. Er ontstaat dan een steady state, waarin de VO2 gelijk is aan de energiebehoefte. Wanneer het lichaam dan weer in rust wil komen, moet het deze O2-schuld weer aanvullen. Dat duurt langer naarmate deze schuld hoger is. Bij maximale spanning vindt er een continue schuldopbouw plaats, dus is de herstelperiode meestal behoorlijk lang. Een goede training bestaat dan ook uit een langzame opbouw en delen anaerobe en aerobe verbranding, zodat het lichaam kan wennen aan langere inspanning. De zuurstofschuld is als volgt te vinden: Zuurstofschuld = O2 verbruik tijdens herstel na inspanning – O2 verbruik in rust. (Het aanvullen van de zuurstofschuld kun je vergelijken met het vullen van een stuwmeer. Je brengt de O2 concentratie weer op pijl.)

Zweten is een heel efficiente manier van afkoelen omdat de waterdruppel heel veel warmte -energie in zich opneemt.

RQ is het respiratoir coëfficiënt en wordt als volgt berekend: RQ= CO2-productie/O2-opname. Voor zuivere glucose-verbranding is het RQ=1 (alleen bij pure glucose). Voor vet (zuiver) is RQ=0,7 en voor eiwit (zuiver) is RQ=0,81. Bij een normaal voedingspatroon komt dit gemiddeld uit op RQ=0,82.

De RQ kan men gebruiken om inspanning te meten. Bij zware inspanning gaat de verbranding echter anaeroob en is het O2-verbruik dus geen goede maatstaaf van de inspanning.

Bij inspanning worden meer O2 en calorieën verbruikt, dus wordt er meer warmte geproduceerd. Bij maximale inspanning gaat een persoon zweten. Dit kan oplopen tot max. 30 mL per minuut.

Hoorcollege Gluconeogenese & PentoseP-shunt

Gluconeogenese

Glycogeen ligt voor een belangrijk deel opgeslagen in de lever. Vooral voor de hersenen is deze glycogeenopslag belangrijk, want zij hebben veel glucose nodig. De totale hoeveelheid opgeslagen glycogeen (160-200 g) gaat ongeveer 1 dag mee. Daarna moet via de gluconeogenese, in de lever en nieren glucose gevormd worden. Dit is het omgekeerde proces van de glycolyse en vindt vooral plaats in de lever. Hierbij kan uit lactaat glucose gevormd worden. Gluconeogenese treedt op tijdens vasten, als je dus geen glucose binnenkrijgt. Pyruvaat is geen substraat voor de gluconeogenese, maar een intermediair.

Bij de glycolyse is eerst investering van 2 ATP nodig. Dit is nodig om van glucose uiteindelijk pyruvaat te maken, waarbij moleculen van 6 C’s gesplitst worden naar moleculen van 3 C’s. Daarna wordt ATP en NADH gevormd en levert de glycolyse dus netto wel energie op, namelijk 2 ATP.

Hexokinase (HK; glucose naar G-6-P), PFK1 (F-6-P naar F-1,6-BisP) en pyruvaatkinase (PK; PEP naar pyruvaat) worden sterk gereguleerd. De reacties die deze enzymen katalyseren zijn namelijk irreversibel, dus het is handig om deze enzymen te reguleren.

Bij vasten treedt de gluconeogenese in werking en wordt dus geprobeerd vanuit pyruvaat glucose te vormen. Hierbij moeten de stappen waarbij in de glycolyse pyruvaatkinase, PFK-1 en hexokinase gebruikt worden, worden omzeild. Dit kan door andere enzymen te gebruiken. De rest van de enzymen van de glycolyse kunnen de reacties beide kanten op katalyseren, dus deze kunnen ook gebruikt worden in de gluconeogenese. Afhankelijk van de concentratie zullen deze enzymen een reactie de ene of de andere kant op katalyseren.

Voor de reactie bij PFK-1 wordt bij de gluconeogenese een ander enzym gebruikt, net zoals bij de reactie bij hexokinase. Om de reactie bij pyruvaatkinase te omzeilen worden de mitochondriën gebruikt.

Gluconeogenese begint bij pyruvaat. Via het mitochondrium gaat het terug naar fosfoenolypyruvaat en dan uiteindelijjk ontstaat er glucose.

Enzymatische reacties die sterk gereguleerd zijn, kunnen meestal maar in één richting gekatalyseerd zijn. Bij de andere reacties kunnen ze wel in twee richtingen reageren (evenwichtsreactie). Dit is afhankelijk van de hoeveelheid metaboliet.

Gluconeogenese is grotendeels omkering van glycolyse. Hier zijn wel extra enzymen voor nodig.

-  Pyruvaat carboxylase, die zet pyruvaat om naar oxaloacetaat

-  PEP carboxykinase, die zet oxaloacetaat om naar fosfoenolpyruvaat

-  Fructose-1,6-bisfosfatase, die zet fructose 1,6- bifosfaat om naar fructose-6

-  Glucose-6-fosfatase , die zet glucose-6-fosfaat om naar glucose in de pentosefosfaatweg

Spieren brengen dit laatste enzym niet tot expressie. Ze kunnen dus geen vrije glucose maken. Ze maken glucose-6-fosfaat en dat kunnen ze dan weer opslaan als glycogeen.

Lactaat is het belangrijkste substraat voor de gluconeogenese. Dit wordt vooral geproduceerd bij de anaerobe glycolyse en wordt dan afgevoerd naar de lever, waar het omgezet kan worden naar pyruvaat en vervolgens naar glucose. Ook sommige aminozuren (bijvoorbeeld alanine) kunnen als substraat van de gluconeogenese fungeren, evenals glycerol..

Alanine bijvoorbeeld kan makkelijk omgezet worden tot pyruvaat. Sommige andere aminozuren kunnen tot intermediairen van de citroenzuurcyclus omgezet worden.

De drie substraten zijn dus lactaat, aminozuren en glycerol

Van vetten kan glucose gemaakt worden, maar dan alleen van glycerol (de backbone). Normaal zijn vetten opgeslagen in triglyceriden, bestaande uit 3 vetzuren en een glycerol. Door een lipase worden de vetzuren afgesplitst. Glycerol kan fungeren als substraat van de gluconeogenese. De regel is: uit vetzuren kun je geen glucose maken, uit vetten wel (nadat je de vetzuren eraf hebt gehaald).

Vetzuren zijn echter geen substraat van de glyconeogenese. Ze kunnen wel omgezet worden naar Acetyl-co-enzym A. Dat fuseert dan met een oxaloacetaat tot citraat. In de citroenzuurcyclus worden dan 2 CO₂ afgesplitst, en dit zijn de twee C’tjes van het acetyl-co-A. Netto kan er dus geen extra glucose gemaakt worden uit vetzuren.

In de gluconeogenese worden in totaal 6 ATP verbruikt (eigenlijk 4 ATP en 2 GTP). Deze worden verbruikt bij de omzettingen van de C3-intermediairen.

Het meeste lactaat in het lichaam wordt geproduceerd door erythrocyten, omdat zij hun energie enkel uit de (anaerobe) glycolyse kunnen halen. Ze gebruiken zo’n 20 gram glucose per dag. 90% van de glucose die opgenomen wordt, wordt omgezet naar lactaat.

De Cori Cyclus is de cyclus van glucose en lactaat tussen spieren en lever. Lactaat uit de spieren gaat naar de lever en wordt omgezet naar glucose. De glycolose in de spieren levert netto 2 ATP. In de lever vindt er gluconeogenese plaats wat 6 ATP kost. Glucose uit de lever gaat dan via het bloed naar de spieren waar het weer omgezet wordt naar lactaat. Het is handig om hierin te investeren zodat je weer 36/38 ATP kan vrijmaken in de spieren (met de glucose uit de lever).

De eerste stap van gluconeogenese:

De sterkste regulator is pyruvaat carboxylase. Dit is het belangrijkste enzym en het eerste controle punt. Het bepaalt of de gluconeogenese uit of aan staat. Dit vindt plaats in mitochondriën. Er wordt dan pyruvaat (C3) omgezet in oxaloacetaat (C4). Dit kost 1 ATP. De malaat shuttle is nodig voor transport oxaloacetaat over het membraan heen. Oxaloacetaat kan het membraan namelijk niet over. Het wordt dan tijdelijk omgezet in malaat wat wel de membraan over kan en wordt dan weer omgezet in oxaloacetaat in het cytoplasma.

Door acetyl-coA wordt dit gereguleerd. Dat maak je uit vetzuren. Er worden iedere keer 2C afgesplitst. Dit is geen substraat van pyruvaat carboxylase, dat is namelijk pyruvaat.  CO2 kan alleen geactiveerd worden door pyruvaat carboxylase als acetyl-coA ook gebonden is. Acetyl-coA is essentieel voor de activiteit van pyruvaat carboxylase.

Allostere activatie van pyruvaat carboxylase vindt plaats door binding van acetyl-coa. Het verandert de structuur waardoor het pyruvaat carboxylase  actiever wordt.  Acetyl-coA is dus een positieve regulator. Het bindt aan pyruvaat carboxylase. Je hebt acetyl-coA nodig voor twee redenen: voor de activatie van dit enzym en voor de ATP regeneratie voor de gluconeogenese.

Het is zonde om pyruvaat om te zetten in acetyl-coA. Als je daar al veel van hebt, kan je beter de vetzuren oxideren en dan kan je beter pyruvaat omzetten in oxaloacetaat.

Glucose-6-fosfatase komt alleen in lever en in nier tot expressie. Het zit in het cytoplasma en moet naar binnen om gedefosforyleerd te worden. Je hebt drie transporters nodig.

Glut 2 zit op membraan van de levercellen. Glucose kan hierdoor naar buiten naar het bloed.

Bij vasten komt er meer glucose-6-fosfatase, maar het moet wel eerst gemaakt worden. Daardoor kun je meer vrije glucose maken. Bij overige organen kan het niet worden omgezet naar vrije glucose en wordt het opgeslagen in glycogeen.

Iedere cyclus van glycolyse levert  2 ATP op en gluconeogenese kost  6 ATP. Als ze allebei aan staan dan zou het elke keer 4 ATP kosten. Dit is natuurlijk niet efficient. Vandaar dat er altijd maar één tegelijk aan staat. Een metaboliet, namelijk fructose-2,6-bisfosfaat, bepaalt of de glyco- of gluconeogenese aanstaat. De metaboliet ontstaat als je op fructose-6-fosfaat op de twee positie een fosfaatgroep toevoegt.  Fructose-1,6-bifosfaat Is een belangrijke regulator in de glycolyse en gluconeogenese.

Waarom kun je uit vetzuren geen glucose maken? Omdat het resulteert in oxaloacetaat. In dit geval kan je daar geen glucose van maken omdat je telkens 2 CO2's verliest. Je eindigt dan met evenveel oxaloacetaat. Je vormt geen extra oxaloacetaat om er glucose van te maken. Je kan niet zomaar de aanwezige oxaloacetaat eruit halen omdat de citroenzuurcyclus dan zou stoppen.

Vetzuuroxidatie vindt plaats in de mitochondrién. Er wordt dan een actyl-coA aangezet en gekatalyseerd. Acetyl-coA haal je er wel weer af.

LCAD is een enzym dat de omzetting van langketenvetzuren katalyseert, MCAD die van middenketenvetzuren en SCAD van korte ketenvetzuren. Bij MCAD deficiëntie (door mutaties op het gen) stapelen de middenketenvetzuren zich op omdat ze niet kunnen worden afgebroken. Hierdoor kan er minder acetyl-co-A worden gevormd, en is de concentratie dus lager. Ook zal er ketonlichaam-synthese  (met name voor de hersenen) plaatsvinden, waarvoor acetyl-CoA nodig is. Door deze 2 oorzaken blijft er te weinig acetyl-co-A over om de gluconeogenese te doen verlopen. Dit is de eerste van 3 hypotheses die de problemen bij MCAD deficiëntie zouden kunnen verklaren.

De volgende is dat kinderen een relatief kleine lever hebben en dus minder voorraad hebben dan volwassenen. Dus raakt de energiebalans bij hen eerder verstoord, waardoor ze eerder last krijgen. Kinderen met een MCAD-deficiënte mogen dus relatief erg kort vasten.

De derde hypothese heeft te maken met het verschijnsel dat het MCAD enzym door een mutatie thermolabiel (instabiel bij temperatuur-verandering) kan worden. Met als gevolg dat er vooral bij koorts bijna geen MCAD actief is.

Pentose fosfaat pad: Het pentosefosfaatpad zit in alle cellen en het heeft 2 functies: het maakt riboses en NADPH. NADPH levert elektronen om bindingen te laten ontstaan (dus voor anabole processen). NADPH is belangrijk voor detoxificatie, dus voor het op peil houden van de redox toestand van de cel. Het substraat is glucose-6-fosfaat. Er zijn 2 fases: een oxidatieve fase en een niet-oxidatieve fase. Het is een cyclisch pad en het levert wat de cel nodig heeft. In een levercel bijvoorbeeld, die bezig is met het ontgiftigen van het lichaam, zal vooral NADPH nodig zijn dus dan is dat deel van de cyclus erg actief. Oxidatieve fase: C6 naar C5, er wordt een co2 afgesplitst.. Bij de non-oxidatieve fase: er zijn enzymen die van de C5 twee cs afhalen en die op de andere C5 zet. Dan krijg je een C7 en een C3. In de volgende stap is er een enzym die haalt 3cs van de C7 af en zet die op de C3, dan heb je een C6 en een C4. Hetzelfde doet hij nog een keer en dan eindig je met een C6 en een C3. De bottom line is dat er 3 C5en worden omgezet in twee C6en en een C3 die de glycolyse in kunnen. Het pentose fosfaat pad levert dus NADPH en suikers (C5). C5 suikers zijn precursors voor RNA/DNA.

Hoorcollege Vetzuur/ketonlichamen metabolisme

Je kan meer NADH uit vetzuren halen. Je kan veel meer vet opslaan door hun apolaire karakter.

De oxidatie van vetzuren levert relatief erg veel (metabole) energie op, omdat vetzuren erg sterk gereduceerd zijn. Ook trekken ze geen water aan, waardoor ze veel compacter opgeslagen kunnen worden. Vetten in ons lichaam zijn voornamelijk triglyceriden, opgeslagen in adipocyten in vetweefsel en ook gedeeltelijk in de spieren.

De meeste vetten nemen we op uit ons voedsel. Via de darm gaan vetzuren en glycerol naar de cellen, waar er triacylglyceriden van gemaakt worden. De verdeling van vetopslag tussen mannen en vrouwen verschilt. De triglyceriden dringen de erythrocyten binnen door het membraan. Daar binden ze aan lipoproteinen (chylomicronen) die via het lymfestelsel en bloed transporteren. Door middel van lipase worden ze tot vetzuren omgezet om gebruikt te kunnen worden.

Bij inspanning vindt vetverbranding plaats. Eerst vindt de mobilisatie, dus de splitsing van vetzuren en glycerol door lipasen, plaats waarna ze via het bloed en lymfe verplaatst worden naar verschillende weefsels. Hierbij zijn ze gekoppeld aan albumine, zodat ze opgelost kunnen worden in het bloed. Lipases worden geactiveerd door glucagon, dus de mobilisatie wordt gereguleerd door hormonen.

In de weefsels worden de vetzuren geactiveerd en de mitochondriën in gebracht. Daar worden ze afgebroken tot acetyl-co-A, waarna via de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering energie wordt verkregen (vet verbranding). Afbraak van vetzuren levert dus heel veel acetyl-coA op en dus heel veel energie.

Bij de activatie van vetzuren wordt een ATP gehydrolyseerd en een AMP gekoppeld aan het vetzuur. Dat AMP wordt daarna uitgewisseld voor een co-enzym A en zo wordt acyl-co-enzym A gevormd, met behulp van het enzym Thiokinase. Via carnitine-shuttles kan acyl-co-A daarna getransporteerd worden van het mitochondriale buitenmembraan naar de matrix. In de matrix wordt het acyl-carnitine weer gesplitst, wordt weer Acyl-CoA gevormd en het carnitine gaat terug naar de intermembrane ruimte. Dit gaat via antiport van acyl-carnitine en carnitine. Vetzuuroxidatie vindt dus plaats in de mitochondriele matrix. Maar de activatie vindt plaats in de mitochondriele buitenmembraan.

SCAD breekt korteketenvetzuren ( 2-4 C’s) af. Achtereen volgens zijn bij afbraak van vetzuren dus LCAD(kan alleen lange ketenvetzuren afbreken), MCAD (alleen medium) en SCAD(alleen korte) nodig. Deze breken vetzuren af door steeds twee C’s af te splitsen (dit vindt dus plaats op het β-C-atoom en heet daarom β-oxidatie).

Dus uiteindelijk wordt de hele vetzuur afgebroken tot Acetyl-coA en gaat dan de normale verbrandingsketen in. Het levert in totaal 108 ATP op (bij volledige palminaatverbranding).

Je kan uit vetzuren geen suikers maken. Je kan namelijk netto geen C4 krijgen in de citroenzuurcyclus om dat de koolstoffen die erin komen er ook meteen weer uit gaan.

Zodra je van pyruvaat acetyl-coA hebt gemaakt kan je geen glucose maken. Van pyruvaat kan je nog wel glucose maken. 

Achtereenvolgens vinden tijdens de afsplitsing van de koolstofatomen oxidatie, hydratatie, oxidatie en hydrolase uitgevoerd, waarbij een FADH2 en een NADH worden gesynthetiseerd. De twee afgesplitste C-atomen vormen acetyl-co-A, wat naar de citroenzuurcyclus gaat. Daar wordt per molecuul acetyl-co-A 10 ATP gevormd.

Vetzuren met meer dan 20 koolstofatomen worden afgebroken in peroxisomen (en dus niet in mitochondrien, het is een ander organel). Hier kan echter geen citroenzuurcyclus plaatsvinden (peroxisomen hebben namelijk geen citroenzuurcyclus), dus de producten en kleinere vetzuren gaan naar de mitochondriën.

Gisten en bacteriën kunnen, in tegenstelling tot meercellige organismen, wel suikers synthetiseren uit vetzuren.

Bij een overmaat aan acetyl-CoA  gaat (vooral) de lever ketonlichamen vormen (als dit veel gebeurt, kan iemand naar aceton gaan ruiken). Dit doet de lever als de vetzuuroxidatie te hard 'aanstaat'. Hij maakt dan dus ketonlichamen uit acetyl-coAs.  Acetoacetaat is een ketonlichaam en kan omgezet worden tot 2 acetyl-CoA, wat de citroenzuurcyclus kan doorlopen. Acetyl CoA wordt niet zelf door bloed getransporteerd. Ketonlichamen worden wel door het bloed getransporteert. Zo kunnen ze bij andere organen komen. Ze hebben hiernaast wel ook altijd glucose nodig. Ketonlichamen worden vooral gebruikt in de hersenen en in de hartspier als brandstof.  Dit gebeurt bij vasten of langdurige honger.

Vetzuur synthese

Voor vetzuur synthese is NADPH nodig. De eerste stap van vetzuur synthese is irreversibel en er is ATP voor nodig.

Het menselijk lichaam kan zelf vetzuren synthetiseren. Dat is de omgekeerde vetzuuroxidatie met een paar verschillen. Het vindt plaats in het cytoplasma (de vetzuuroxidatie vindt plaats in de mitochondriën) en de substraten zijn een acyl- (ipv CoA) en een malonylgroep. Eerst vindt dan condensatie plaats, dan reductie, dehydratatie en weer reductie.

De vorming van malonyl coenzym is de eerste, snelheidsbepalende stap van de vetzuursynthese en is irreversibel. Het wordt gereguleerd door acetyl-CoA-carboxylase, wat op zijn beurt aan (niet-gefosforyleerd) of uit (gefosforyleerd) kan staan (regulering activatie,  het wordt gereguleerd door hormonen). Als het glucagon-gehalte hoog is wordt een kinase geactiveerd wat acetyl-CoA-carboxylase inactiveert (omgekeerd bij insuline). Ook kan acetyl-CoA-carboxylase allosteer gestimuleerd worden door citraat en geremd door palmitoyl CoA (door binding van metabolieten vinden er comformaties plaats). Bij veel citraat is er namelijk een overschot aan energie, bij een hoog gehalte palmitoyl CoA vindt productremming plaats.

De intermediairen (acyl) bij vetzuursynthese zijn gekoppeld aan ACP en bij de synthese wordt NADPH verbruikt.

Het vetzuursynthase enzym complex is het complex dat de synthese van vetzuren in gang zet. Dit heet de verlengingsfase. Acetyl- en malonyl CoA worden gevormd door acetyl- respectievelijk malonyl transacylase. Deze 2 condenseren tot aceto-acetylACP. Bij elke ‘ronde’ van vetzuursynthese worden er twee C-atomen aan de keten toegevoegd. Uiteindelijk krijg je dan C16.

NADPH wordt gebruikt in anabole reacties (biosynthese). En NADH wordt gegenereerd in catabole reacties (afbraak) .

Acetyl-CoA wordt uit de mitochondriën getransporteerd (voor de vetsynthese) doordat het eerst omgezet wordt naar citraat. Eenmaal in het cytoplasma wordt acetyl Co-A weer afgesplitst. Bij deze cyclus wordt NADPH gevormd, maar voor de vetzuursynthese is ook NADPH nodig uit het pentosefosfaatpad.

Hoorcollege Glycogeen metabolisme

Sommige processen vinden alleen plaats in bepaalde cellen omdat alleen daar de nodige enzymen tot expressie komen. Een voorbeeld hiervan is de gluconeogenese, die vooral tot expressie komt in de lever, en in mindere maten ook in de nieren. Sommige aminozuren kunnen omgezet worden tot oxaloacetaat, waarna er glucose van gemaakt kan worden.

Afbraak van vetzuren vindt plaats in de mitochondriën. Vetzuursynthese en cholestorolsynthese vinden plaats in het cytoplasma. De synthese van ketonlichamen vindt plaats in de mitochondriën.

Erythrocyten verbruiken alleen glucose via de glycolyse. Ze hebben geen andere organellen of enzymen om andere metabole processen te laten verlopen.

De hersenen kunnen glucose en ketonlichamen (glucose-besparend) verbranden, maar hebben in ieder geval altijd glucose nodig. In de spieren vinden de glycolyse, β-oxidatie en afbraak van ketonlichamen plaats. Vetweefsel kan ook de lipolyse uitvoeren, en daarna de β-oxidatie van de vrije vetzuren. De lever voert de gluconeogenese, de ketogenese, de glycolyse en de β-oxidatie uit.

Substraten voor de gluconeogenese zijn lactaat, glycerol en aminozuren waarvan de belangrijkste alanine. Glucose-6-fosfaat is een heel centrale metaboliet, vanaf hier ga je ook de pentosefosfaatweg in. Met de pentosefosfaatweg zorg je vooral voor energie voor de synthese voor vetzuren en cholesterol. Deze energie wordt opgeslagen in NADPH. De pentosefosfaatweg regelt dus de NADPH. Als de energiebehoefte voldaan is en de glucose maar blijft binnenkomen dan moet de acetyl-coA opgeslagen worden. Dit gebeurt in de vorm van vetzuren en uiteindelijk in vetten, in vetcellen. De acetyl-coA moet dan ook door een shuttle. Acetyl heeft twee c's. Dit wordt gebonden aan oxaloacetaat en vormt dan een 4c, namelijk citraat. De citraat mag dan wel naar buiten door de shuttle en die geeft de twee c's weer af.  Acetyl mag dus anders met maar 2c's de shuttel niet in.

Belangrijke princinpes:

- het basale metabolisme van de cel omvat een aantal metabole routes

- metabole routes, of delen ervan, spelen zich af in verschillende compartimenten van de cel

- niet alle routes zijn in alle cellen of organen aanwezig

Spieren kunnen ketonlichamen afbreken. Ook hartspieren gebruiken ketonlichamen. Vetweefsel is vooral gespecialiseerd in de afbraak van vetten en vetzuren. De levercel kan vetzuren afbreken. Levercel doet aan gluconeogenese, ketogenese, glycolyse en b-oxidatie. Lever maakt de ketonlichamen, maar kan ze zelf niet gebruiken.

In de lever zit zo’n 75 gram glycogeen, in de spieren 250 gram. Ons glucose-gebruik ligt rond de 160-200 gram per dag. Glycogeen is in feite allemaal aan elkaar gekoppelde glucose-eenheden. Het is een polisacharide. Het zit aan elkaar vast via 1-4 binding (alfa 1,4).Deze glucose-eenheden zitten sterk vertakt aan elkaar gekoppeld, (dit zit natuurlijk niet aan de 1 of 4 maar aan de andere nummertjes) waardoor er meer uiteinden zijn en glycogeen dus op meerdere plaatsen tegelijk afgebroken kan worden, waardoor het sneller beschikbaar is. Er zijn zoveel vertakkingen dat het eigenlijk een bol is.  

Het aan elkaar zetten van glucose tot glycogeen gebeurt door glycogeen synthase en door het glycogeen-branching-enzym. Bij het afbreken van glycogeen zijn achtereenvolgens een glycogeen fosforylase ('knabbelt' aan de vele uiteinden, kan dit niet als hij te dicht bij een vertakking komt) en het glycogeen-debranching-enzym nodig (haalt vertakking weg).

Bij de afbraak van glycogeen kan glycogeen fosforylase steeds glucose van de vertakte uiteinden van het glycogeen afhalen. Het glycogeen debranching enzym kan dan stukjes glycogeen verplaatsen van aftakkingen naar de hoofdketen. Er is dan glucose-6-fosfaat, wat afgebroken kan worden door glucose-6-fosfaat-fosfatase (gluconeogenese) in de lever.

Je kunt de lever zien als glucose producent en de rest van de organen als consumenten.

In de lever zit GLUT-2, welke een K_t van 10 mM heeft. Normaal nemen levercellen dus niet erg veel glucose op. Na een maaltijd is er veel glucose in het bloed en neemt de lever wel glucose op. Dit gaat door middel van gefascileerde (ondersteunde) diffusie. Bij een hoge intracellulaire glucoseconcentratie wordt glucose in de lever omgezet in glucose-6-fosfaat. Dit wordt daarna omgezet tot glucose-1-fosfaat, waarna daar een UDP aan gekoppeld wordt, waarbij een UTP wordt gebruikt. Daarna worden de glucoses aan elkaar gekoppeld. Het branching enzym zorgt voor het ontstaan van vertakkingen.

Bij de naamgeving van enzymen zetten we de naam van het substraat voor de activiteit. Kinases zetten bijvoorbeeld een fosfaatgroep aan, dus glucokinase (in de lever) zet een fosfaatgroep aan glucose, waardoor glucose-6-phosphaat ontstaat. (Hexokinase doet hetzelfde maar dan in de spieren). Glycogeen fosforylase zet glycogeen om in glucose-1-fosfaat, wat omgezet wordt in glucose-6-fosfaat, wat omgezet wordt in glucose door G6P-fosfatase. Dezelfde GLUT-2 transporter transporteert glucose weer naar buiten de cel.

De afbraak van glycogeen tot glucose, de glycogenolyse, vindt plaats tussen de maaltijden in (dus bij kort vasten). ’s Nachts komt de gluconeogenese op gang (bij langer vasten).

Glucagon komt vrij als je een tijdje niet gegeten hebt, dus als de glucosespiegel in het bloed daalt. Glucagon is wateroplosbaar. Glucagon is een hormoon en geeft via glucagonreceptoren op celmembranen signalen door. Glucagon hecht dan aan een receptor, waardoor een GDP aan het G-proteïne bij de receptor verwisseld wordt voor en GTP. Daardoor valt het G-complex uit elkaar in een α-, β- en γ-deel. Het α-deel met de GTP activeert het adenylyl-cyclase (cyclase betekent dat er een cyclus gevormd wordt). Hierdoor wordt ATP omgezet in cyclisch AMP (cAMP) en ADP kan worden omgezet in AMP. ATP kan worden omgezet in ADP +P. Als dit 2x gebeurt heb je twee ADP's. Daarmee kan je ADP+ADP naar ATP + AMP omzetten.  Daardoor wordt het PKA-eiwit (protein kinase A) geactiveerd, waardoor verschillende andere eiwitten gefosforyleerd worden. Bij dit proces vindt veel amplificatie plaats, waardoor een beetje glucagon toch een grote impact kan hebben. Één glucagon receptor acitveert heel veel G-eiwitten, waardoor het geamplificeerd wordt.

Het fosforyleren van een enzym gebeurt covalent. Alleen fosfatases kunnen een fosfaatgroep weer verwijderen. Het PKA activeert ten eerste het fosforylase-kinase. Het fosforylase-kinase wordt dan omgezet van de b-vorm (inactief) naar de a-vorm (actief). Dit zet dan weer het fosforylase-b om naar fosforylase-a. Het fosforylase-a zorgt dan voor de omzetting van glycogeen naar glucose. PKA stimuleert dus de glucose-synthese. Tegelijkertijd remt het ook de synthese van glycogeen. Dit doet hij door het glycogeen-synthase te fosforyleren, waardoor het inactief wordt.

Ook activeert het PKA inhibitor-1. Daardoor wordt fosfatase inactief, waardoor van de andere enzymen niet gelijk de fosfaatgroep weer afgehaald wordt.

Insuline komt in het bloed op het moment dat je gaat eten. Insuline maakt het fosfatase actief en zet dus het fosforylase-a om in de inactieve b-vorm.

De GLUT-4 zit op vesikels in de cel van spieren en vetweefsel en worden onder invloed van insuline in het celmembraan gezet (dus bruikbaar gemaakt). Dit gebeurt doordat de vesikels met de membraan fuseren waardoor GLUT-4 op de membraan wordt gezet. Hierdoor kan glucose worden binnengelaten in de cel.

Als je opeens een sprintje gaat trekken, komt er adrenaline (epinephrine) vrij. Dit bindt aan receptoren op celmembranen en heeft, via het G-proteïne bij de receptor effect op fosfolipase C. Ca2+-poorten open komen te staan, waardoor dat ion de cel in kan. Daar bindt het aan calmoduline, waardoor die stof van conformatie veranderen. Het calcium-calmoduline-complex kan daarna het enzym fosforylase kinase binden en zijn activiteit vergroten. Was fosforylase kinase dus in de b-vorm, dan gaat hij van niet-actief naar een beetje actief. Was het enzym in de a-vorm, dan wordt hij nog actiever dan hij al was. Hierdoor wordt meer fosforylase b omgezet naar de a-vorm. Adrenaline kan ook aan een andere receptor binden waardoor het G-proteïne effect heeft op het adenylyl cyclase en cAMP ontstaat. Dit stimuleert het PKA.

Op deze manier kan het signaal van insuline overruled worden door het stresshormoon.

Hoorcollege Glucagon/Insuline

Als er veel AMP in de cel is (teken van te weinig energie), bindt fosforylase b AMP. Dan is dit enzym toch een beetje actief. ATP en glucose remmen fosforylase a. Glucose is de metaboliet van de regulering van AMP en ATP. De metabolieten zijn orgaanafhankelijk.

De omslag insuline/glucagon is erg langzaam. Regulatie door adrenaline en metabolieten is een stuk sneller. Lange-termijn regulatie door enzymactiviteit gaat via de synthese en afbraak van mRNA en eiwitten.

Glucagon zorgt via het G-proteïne en adenylyl cyclase voor de vorming van cAMP. Dit activeert het PKA. Het PKA op zijn beurt kan inhibitor-1 en fosforylase kinase actief maken, en glycogeen synthase inactief. Dit gaat allemaal onder verbruik van 1 ATP. Geactiveerd fosforylase kinase maakt fosforylase actief, waardoor glycogeen omgezet wordt in glucose. Inhibitor-1 inhibeert de inactivering van fosforylase.

De glycolyse wordt door een aantal enzymen gereguleerd. Hexokinase zorgt voor de omzetting van glucose naar glucose-6-fosfaat en wordt geïnhibeerd als er veel glucose-6-fosfaat aanwezig is.

Pyruvaat-dehydrogenase zet pyruvaat om naar acetyl-CoA, waarbij een CO2 vrijkomt. Het wordt geïnhibeerd door acetyl-CoA, ATP en NADH. Er is ATP nodig om PDH te inactiveren. Het is eigenlijk onvoordelig als pyruvaat wordt omgezet in acetyl-coA omdat acetyl-coA niet meer kan worden omgezet in glycogeen. Qua koolstofatomen levert het je in de citroenzuurcylus nooit iets op. Je stopt er C'tjes in die er ook weer uitgaan. Je kan dus nooit iets opbouwen. 

Een voorbeeld van een casus:
Een man van middelbare leeftijd, alcoholist, raakt opeens buiten bewustzijn. Er wordt gedacht aan een hartaanval. Zijn bloedglucose is laag (2,5mM) en zijn alcoholgehalte hoog (0,2‰). Er zit geen creatinekinase in het plasma (dit sluit uit dat er een hartspierschade is, dus toch geen hartaanval), het gehalte aspartaat aminotransferase is hoog (dit wijst op leverschade). Verder zijn het pH en het CO2 verlaagd en het lactaat verhoogd.

De glycogeenvoorraad was laag, wat erop wijst dat het glucosegehalte waarschijnlijk niet op peil gehouden kon worden. Na het toedienen van glucose kwam de patiënt weer bij.

Alcoholdehydrogenase zet ethanol om in acetylaldehyde, waarbij NADH vrijkomt. Daardoor wordt pyruvaat omgezet in lactaat (er is dus ook minder pyruvaat beschikbaar voor de gluconeogenese) wat het hoge lactaatgehalte en lage pH verklaart. Voor de gluconeogenese was dus weinig pyruvaat beschikbaar en ook weinig aminozuren wegens weinig spiermassa. Daarbij was de lever aangetast door cirrose. De gluconeogenese kost 6 ATP per synthese van 1 glucose.

Er is onder normale omstandigheden meer lactaat dan pyruvaat aanwezig en meer glycerol dan trifosfaten. Bij gluconeogenese wordt lactaat via pyruvaat eerst omgezet naar oxaloacetaat. Het transport van oxaloacetaat loopt via een malaatshuttle naar de mitochondriën. 

Hoorcollege Regulatie metabolisme, eten versus vasten

Eten versus vasten = insuline versus glucagon

Stijging glucosespiegel

Door glucose-rijke voeding (voeding met koolhydraten erin) stijgt de glucosespiegel in het bloed, hierdoor vindt er secretie van insuline plaats door pancreas β-cellen. Insuline ligt opgeslagen in de β-cellen van de pancreas en deze cellen zijn de sensoren van de insulinespiegel in het lichaam.

Door de stijging van insuline in het bloed komen GLUT-4 receptoren op het celmembraan van spier- en vetweefsel en geeft insuline hier het signaal af om glucose op te nemen. Insuline geeft ook het signaal af om glucose op te slaan. Glucose wordt door de spier- en vetweefsels dan opgeslagen als glycogeen en vet (van glucose kan immers wel vet gemaakt worden, maar van vet kan er geen glucose gemaakt worden).

Daling glucosespiegel

De glucosespiegel daalt op het moment dat je stopt met eten. Wanneer de glucosespiegel daalt, daalt ook het insulinegehalte. Het glucagongehalte stijgt om de glucosespiegel in het bloed op pijl te houden. De glycogenolyse (afbraak van glycogeen tot glucose) en gluconeogenese in de lever komen dan op gang. Bij langer vasten, meer dan 2 dagen, worden ook ketonlichamen gevormd. Ketonlichamen zijn chemische verbindingen die het lichaam aanmaakt, bij de afbraak van vet als gevolg van een tekort aan koolhydraten.

Vasten

Wat gebeurt er in het lichaam bij langdurig vasten, in dit geval 8 dagen. Het opvallende is dat de glucosespiegel op peil blijft, tussen de 3 en 4 mM. De ketonlichamen synthese begint wel meteen maar na 2 dagen komt het pas helemaal op gang. Er is ook vrij snel een stijging van vrije vetzuren in de circulatie.

Het belangrijkste voor het lichaam is op de glucose spiegel op peil te houden en eiwitafbraak te voorkomen. Eiwitten zijn geen vorm van opslag. Slechts in nood wordt deze bron van energie aangesproken (bij weken lang niet eten). Hierdoor vallen dan gaten in bepaalde systemen. Bij een te grote afbraak van eiwitten wordt het ‘point of no return’ bereikt (na 6 a 7 weken vasten) en kan het lichaam zichzelf niet meer opbouwen, ook niet als de voeding dan weer gestart wordt. Dan heb je zoveel eiwitten verbruikt dat transcriptie en translatie (gereguleerd door eiwitten) ook niet meer werkt, waardoor het lichaam niet meer te herstellen valt.

Effect vasten op brandstofgebruik in het lichaam

Bij vasten hebben de hersenen wel altijd glucose nodig, al kunnen ze ook gedeeltelijk werken op ketonlichamen (glucose-sparend). Bij 3 dagen vasten is het glucose gebruik in de hersenen veel hoger dan bij 40 dagen vasten. Bij 40 dagen vasten is het ketonlichamen verbruik namelijk veel hoger. Bij het verbranden van zowel ketonlichamen als glucose produceren de hersenen dan acetyl-CoA. Dit kan via de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering verder afgebroken worden en dus ATP gevormd worden.

Het op peil houden van de glucosespiegel is heel belangrijk met name voor de erythrocyten, omdat glucose hun enige brandstof is. Ook voor de hersenen en zenuwcellen is het op peil houden van het glucosegehalte belangrijk, omdat deze cellen geen vetzuren af kunnen breken.

Uit de lipolyse (vetafbraak ) van adipocyten (vetcellen), worden de grondstoffen voor energie gevormd dat is na 3 dagen al volledig op gang en dat blijft de gedurende 40 dagen hetzelfde. Afbraak van spieren (eiwitten) gaat in het begin vrij hard, maar dat wordt na langere tijd wat afgeremd, omdat er ketonlichamen worden gevormd.

Bij eiwitafbraak ontstaan er losse aminozuren die in de lever worden gebruikt voor de gluconeogenese. De lever gaat bij langer vasten ook minder glucose verbruiken en verbruikt ketonlichamen. De ketonlichamen worden gevormd door de ketogenese in de lever.

Bij extreem vasten vallen mensen heel erg af. Wanneer ze toch nog iets eten maar heel eenzijdig, kunnen ze een opgezette buik krijgen. Dit komt door een tekort aan eiwitten. Er is dan niet genoeg albumine in het bloed, waardoor oedeem optreedt.

De lever en vetcellen hebben glucagonreceptoren, de meeste andere cellen in ons lichaam niet. Spieren hebben dus geen glucagon receptoren maar wel insuline receptoren! In de lever vindt β-oxidatie (vetafbraak) plaats, wat nodig is voor de ketogenese. Ketonlichamen bestaan uit een aantal acetyl-CoA-enzymen aan elkaar. Verschillende weefsels, waaronder spieren en hersenen, maken gebruik van ketonlichamen, maar erythrocyten dus niet.

De glycogeenafbraak is in de eerste twee dagen heel belangrijk, hierna stapt het lichaam volledig over op gluconeogenese. Het substraat voor de gluconeogenese, is voornamelijk de aminozuren, maar kan ook lactaat en glycerol zijn. Deze aminozuren komen bij vasten voornamelijk uit spierafbraak. Je spieren worden dus opgegeten ten behoeve van glucose aanmaak voor je brein en rode bloedcellen.

Wanneer de glucosespiegel onder de 3 mM daalt, heeft een patiënt een grote kans om epileptische aanvallen te krijgen en comateus te worden. Na zo’n 2 dagen vasten is al het glycogeen afgebroken. Dit is dus ook een zeer belangrijke bron van glucose tijdens het slapen. Na ongeveer een dag vasten komt de eiwitafbraak een beetje op gang. De glucogenese is ook tijdens het slapen al actief.

Regulatie glycolyse en gluconeogenese

Deze processen vinden niet tegelijkertijd plaats, want anders is het niet efficiënt. De ene route staat uit en de andere staat aan.

Gluconeogenese: pyruvaat wordt door middel van pyruvaatcarboxylase (PC) omgezet tot oxaloacetaat. Pyruvaatcarboxylase is een enzym die als substraat pyruvaat heeft en als functie een C-tje aan het pyruvaat te plakken (carboxyleren). Dit doet het alleen maar als er voldoende Acetyl-CoA is. Van oxaloacetaat wordt er PEP (phosphoenolpyruvaat) gevormd, waaruit door middel van glycerol fructose-1,6-bisfosfaat gemaakt wordt. Daarvan kan fructose-6-fosfaat gevormd worden en daaruit glucose-6-fosfaat en uit glucose-6-fosfaat wordt dan glucose gemaakt.

De stap van fructose-6-fosfaat naar fructose-1,6-bisfosfaat wordt heel streng gereguleerd.

PFK1 (fosforfructosekinase)maakt van fructose-6-fosfaat fructose-1,6-bisfosfaat. PFK2 maakt van dezelfde stof fructose-2,6-bisfosfaat. De fosfaatgroep wordt dus door PFK1 aan het eerste koolstofatoom gekoppeld en door PFK2 op het tweede koolstofatoom. Fructose-2,6-bisfosfaat stimuleert PFK1 en remt fructose-1,6-bisfosfatase, het enzym dat van fructose-1,6-bisfosfaat, fructose-6-fosfaat maakt dus de tegenhanger van PFK1, het heeft dus een regelfunctie. Wanneer er veel glucose is, is het enzym PFK-2 dus actief en wordt de glycolyse (glucose afbraak) dus bevordert, omdat fru-2,6-BP de omzetting van Fru-6-P naar fru-1,6-BP stimuleert en de omzetting van fru-1,6-BP naar fru-6-P remt. Is er weinig glucose dan is Fru-2,6-BPase (fructose-2,6-bisfosfatase) actief en maakt van fru-2,6-BP weer fru-6-P en kunnen de laatste stappen in de gluconeogenese uitgevoerd worden.

PFK-2 en fru-2,6-BPase zijn bijna dezelfde enzymen fru-2,6-BPase is echter gefosforyleerd en PFK-2 niet. De fosfaat groep is hier dus geen aan en uit knop, maar heeft hier als functie wat er gedaan moet worden.

Metabolisme en sport

Verschillende soorten bronnen om ATP te vormen bij het sporten. In de spieren zit een klein beetje ATP opgeslagen die gebruikt kan worden. Er zit ook creatinefosfaat. Glycogeen kan omgezet worden in glucose en dan in lactaat (snelle route, anaerobe glycolyse) of in de citroenzuurcyclus afgebroken (langzame route). Ook kan er energie uit vetten worden gehaald.

Afhankelijk van inspanningsduur worden de verschillende energiebronnen gebruikt. ATP en creatinefosfaat zijn binnen enkele seconden op. Je moet dus wel overstappen op anaerobe metabolisme pas na enkele minuten komt het aerobische metabolisme op gang.

Bij een marathon moet ook de vetzuurvoorraad worden aangebroken, omdat de glycogeenvoorraad dan op is geraakt. De voorraad glycogeen tijdens een marathon is na ongeveer een uur verbruikt. Voortdurende recycling van ATP-ADP-AMP, NAD+ - NADH en NADP+ - NADPH is noodzakelijk!

Het is verstandig om voor de marathon glycogeen te stapelen, dus pasta te eten. Dit komt omdat glycogeen meteen glucose-UTP oplevert. Terwijl glucose uit de circulatie eerst moet worden omgezet tot glucose-6-fosfaat, dat één ATP kost, dat kost dus tijdens de wedstrijd ATP dus glucose levert netto minder energie dan glycogeen.

Energie uit creatinefosfaat

Als er energie geleverd moet worden uit creatinefosfaat, dan wordt de fosfaat groep van creatine-fosfaat overgeplaatst op ADP waardoor ADP dus in ATP veranderd. Er ontstaat dus creatine en ATP. Wordt er van creatine, creatinefosfaat gemaakt dan wordt er een fosfaatgroep van ATP overgeplaatst op creatine en ontstaat er dus ADP en creatinefosfaat.

Grote voorraad van creatinefosfaat is voor explosieve sporten dus heel voordelig. Er is snel energie te maken.

De snelheid van metabolisme is vaak de beperkende factor voor bepaalde prestaties (bijv. de nodige tijd om een sprintje te trekken of juist een marathon te rennen). De afbraak van glycogeen, bij een sprint, gaat erg snel. Maar de afbraak van vetzuren, bij een marathon, gaat veel langzamer.

Het drinken van een glucoserijke sportdrank voor een marathon kent voor- en nadelen. Het voordeel is de hogere glucosespiegel, dus energie die snel aan te spreken is. Het nadeel is dat na het drinken van die drank insuline vrij zal komen en juist glucose opgeslagen zal gaan worden als glycogeen, terwijl je juist het omgekeerde proces wil activeren.

Cafeïne heeft invloed op het basaal metabolisme.

Wanneer er glucagon in de circulatie is wordt de glucagon receptor geactiveerd en ontstaat er van ATP, cAMP. CyclischAMP is verantwoordelijk voor de activering van eiwitkinases die van invloed zijn op het métabolisme.

Als er cAMP aanwezig is, zal dit uiteindelijk omgezet worden naar AMP door fosfo-di-esterase, waardoor het signaal uitgedooft wordt. Cafeïne remt fosfo-di-esterase, dus de afbraak van cAMP naar AMP, waardoor een glucagonsignaal langer aanhoudt. Er is dan meer actief PKA. De gluconeogenese wordt aangezet en er vindt meer glycogeen afbraak plaats. Daardoor is het glucosegehalte in het bloed doorgaans hoger en dit zorgt voor een vermindering van het hongergevoel.

Hoorcollege Defect oxidatieve fosforylering patiënten

Symptomen van Genevieve, 12 jaar oud.

Tot elf maanden had Genevieve een normale ontwikkeling. Vanaf 2 jarige leeftijd ging lopen veel moeilijker en viel ze veel vaker. Genevieve had een trage spraak en taalontwikkeling, leert niet fietsen op twee wielen en valt onder het niveau van moeilijk tot zeer moeilijk lerende kinderen. Kan zichzelf alleen met TV bezighouden.

Bij onderzoek kon Genevieve niet recht over een lijn heen lopen, dit wordt de dronkenmansloop genoemd. Er is bij het lopen en spreken sprake van ataxie. Ataxie is een verstoring in het evenwicht en de bewegingscoördinatie.

Dit wijst op een storing in het cerebellum (kleine hersenen), die verantwoordelijk is voor het sturen en coördineren van bewegingen.

Beeldvormend onderzoek

CT-scan: met een CT-scan kan er een driedimensionaal beeld gevormd worden van, botten en weke delen, door middel van röntgenstraling.

MRI-scan: met een MRI scan wordt er een driedimensionaal beeld worden gevormd van de structuur van een weefsel door middel van magnetische resonantie.

Bij Genevieve wordt er voor een MRI-scan gekozen, om te kijken of er een afwijking in de weefselstructuur van de hersenen te zien is.

Uit de MRI-scan bleek dat ze een klein cerebellum had. In haar hersenen was hypoplasie (onvolledige ontwikkeling) opgetreden, waardoor ruimtes gevuld met vocht waren ontstaan, te zien als witte pitten op een MRI-scan. Water/vocht kan op een MRI-scan wit of zwart gekleurd zijn. Er zijn 3 verschillende oorzaken mogelijk voor necrose van het cerebellum; CO intoxicatie, zuurstof-tekort of een defect in de oxidatieve fosforylering.

Laboratorium onderzoek

Ook bleek het lactaat (melkzuur) (dit is een marker voor problemen met de ademhalingsketen) in haar hersenvocht verhoogd en in het plasma licht verhoogd.

Dit beeld past bij Leigh syndroom (subacute necrotiserende encephalo-meyelopathie). Subacuut slaat op het het geleidelijk ontstaan van nieuwe symptomen, necrotiserend betekent kapot gaan en afsterven van cellen en encephalo-meyelopathie slaat op het niet goed functioneren van de hersenen.

Ontstaan van te veel lactaat

Normaal gesproken is de concentratie van lactaat in het plasma minder dan 2 mmol/L en is alleen verhoogd in het geval van intensieve inspanning of bij bepaalde levensbedreigende ziektes (bijv. shock). Glucose wordt dan omgezet naar lactaat. Dit kan later omgezet worden naar pyruvaat wat via de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering in de mitochondriën kan worden afgebroken. Daarbij worden protonen in de intermembrane ruimte van mitochondriën (ruimte tussen de binnen en buitenmembraan van een mitochondrion) gepompt, die daarna door ATPsynthase weer terug kunnen stromen naar de matrix, waarbij er ATP gevormd wordt. Dat heet de ademhalingsketen.

Bij een defect in de ademhalingsketen kan de citroenzuurcyclus nog wel verlopen. Hierdoor ontstaat er veel NADH, H+. Dit remt het enzym PDH (pyruvaat dehydrogenase), dat pyruvaat omzet in acetyl-CoA. Hierdoor ontstaat er meer pyruvaat en omdat pyruvaat en lactaat in evenwicht met elkaar staan, zal er ook meer lactaat ontstaan.

Spierbiopt

Van Genevieve was een spierbiopt genomen en daaruit waren de mitochondriën geïsoleerd.

Er wordt een spierbiopt genomen, omdat in een spier veel mitochondriën zitten en je er makkelijk bij kunt om een biopt te nemen. Het bleek dat er een defect was in de ademhalingsketen. Een mutatie in het mt-DNA zorgde voor een gestoorde functie van complex 5. Hierdoor is er sprake van verminderde ATP synthese vanuit het substraat.

Mt-DNA is mitochondriaal DNA. Mitochondriaal DNA is klein en circulair DNA in de mitochondriën, er bevinden zich meerdere DNA strengen per mitochondrion en de nucleotiden volgorde is helemaal bekend.

Mitochondriaal DNA erft uitsluitend maternaal (van de moeder afkomstig) over. In een spermacel zitten ook mitochondriën in de staart om de zaadcel te laten bewegen, maar deze staart gaat bij de bevruchting verloren. Het bleek dat 66% van Genevieves lymfocyten gemuteerd mt-DNA had. Niet alle cellen in het lichaam hebben namelijk deze mutatie. Gezonde en zieke weefsels kunnen daardoor naast elkaar voorkomen.

Bij afwijkingen in de ademhalingsketen kunnen levensbedreigende aandoeningen ontstaan, zoals epileptische aanvallen. Aan zo’n aanval is patiënte Genevieve op hele jonge leeftijd overleden.

Een andere patiënte is L (4 jaar). Na 4 maanden viel het op dat ze slechter groeide en zich niet goed ontwikkelde. Ze vertoonde distonie (rare niet-vloeiende bewegingen) en hypotonie (spierslapte). Ook zij had een verhoogde concentratie lactaat in de liquor en het plasma. De concentratie alanine (2^e marker voor oxidatieve fosforylering problemen) in het plasma was verhoogd, terwijl de fosfaat concentratie juist verlaagd was. In de urine werden aminozuren, glucose en fosfaat aangetroffen. Ook hier was een probleem met de mitochondriale ademhalingsketen, waardoor lactaat en alanine niet omgezet (konden) worden in pyruvaat (omdat hier al heel veel van aanwezig is) en dit niet de citroenzuurcyclus in kon gaan. ATP kon dus niet geproduceerd worden door de oxidatieve fosforylering. De verhoogde concentratie aminozuren, glucose en fosfaat in de urine is te verklaren door een verslechterde nierfunctie. De nieren hebben namelijk ATP nodig om deze stoffen uit de urine te resorberen. Als er door de nieren niet genoeg ATP geproduceerd kan worden, kan dat dus niet gedaan worden en blijven deze stoffen in de urine zitten.