9. Stofwisseling in de cel

Deze samenvatting is afkomstig uit het boek: Biologie voor jou - 7.0. Er zijn een aantal aanpassingen gemaakt ter verduidelijking.

9.1 Chemie in cellen

Je kunt beschrijven wat stofwisseling, assimilatie en dissimilatie zijn en wat er bij deze reacties met de energie gebeurt.

• Stofwisseling: het geheel van chemische processen in een cel
• Chemische energie: energie die in de atoombindingen van stoffen is opgeslagen
• Assimilatie: de opbouw van organische moleculen uit kleinere moleculen
  • Resultaat: vorming van de organische stoffen waaruit cellen bestaan
  • Bij assimilatiereacties wordt energie vastgelegd in de chemische bindingen van grotere moleculen
  • De binding tussen koolstof en waterstof is energierijk
  • Autotrofe organismen kunnen anorganische stoffen omzetten in organische stoffen
  • Via koolstofassimilatie wordt glucose gevormd uit koolstofdioxide en water
  • Via voortgezette assimilatie wordt glucose omgezet in andere koolhydraten, vetten, eiwitten en DNA
  • Heterotrofe organismen moeten organische stoffen opnemen uit de omgeving
• Dissimilatie: de afbraak van organische moleculen tot kleinere moleculen
  • Bij dissimilatie kan energie vrijkomen in de vorm van kinetische energie (bewegingsenergie), warmte en lichtenergie (energie in de vorm van elektromagnetische straling)
  • Bij dissimilatie komt chemische energie uit stoffen beschikbaar voor processen in de cellen
• Een heterotroof organisme krijgt energie uit de opname van organische stoffen
• Een autotroof organisme is (als enige) in staat tot koolstofassimilatie
• In cellen wordt chemische energie getransporteerd door $\mathrm{ATP}$ (adenosinetrifosfaat).
  • Opbouw van $\mathrm{ATP}$: $\mathrm{ADP}+\mathrm{P}{}_{\mathrm{i}}+\mathrm{energie}\to \mathrm{ATP}$
  • Afbraak van $\mathrm{ATP}$: $\mathrm{ATP}\to \mathrm{ADP}+\mathrm{P}{}_{\mathrm{i}}+\mathrm{energie}$
  • Chemisch aan $\mathrm{ATP}$ verwante energiedragermoleculen zijn $\mathrm{AMP}$ (adenosinemonofosfaat), $\mathrm{NADP}{}^{+}$ (nicotinamide-adenine-dinucleotidefosfaat) en $\mathrm{NAD}{}^{+}$ (nicotinamide0adenine-dinucleotide)

$$\mathrm{ATP}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{ATPase}}{\rightleftarrows }\mathrm{ADP}+\mathrm{P}{}_{\mathrm{i}}$$

9.2 Enzymen

Je kunt de bouw en werking van enzymen beschrijven.

• Enzymen katalyseren (versnellen) stofwisselingsreacties zonder daarbij zelf te worden verbruikt
  • Enzymen verlagen de energiedrempel, de hoeveelheid activeringsenergie die nodig is om een reactie op gang te brengen
• Enzymatische reacties zijn vaak evenwichtsreacties en kunnen in twee richtingen verlopen
  • De enzymwerking is substraatspecifiek: elk enzym kan slechts één evenwichtsreactie beïnvloeden
• Een enzym wordt genoemd naar het substraat (de stof waarop het enzym inwerkt).
  • De naam van het enzym krijgt het achtervoegsel -ase
• Enzymen zijn eiwitmoleculen met een specifieke ruimtelijke structuur
  • Een enzymmolecuul heet een actief centrum, dat tijdelijk een binding aangaat met een substraatmolecuul. Er ontstaat dan een enzym-substraatcomplex (E-S-complex)
• Sommige enzymen hebben een cofactor nodig om werkzaam te zijn. Als de cofactor een organische stof is, wordt deze een co-enzym genoemd.
  • Cofactor; bijv. een metaalion of een vitamine
  • Co-enzym; bijv. een vitamine of een hormoon
  • Apo-enzym: enzymmolecuul met een organische of anorganische cofactor
  • $\mathrm{ATP}$ fungeert als co-enzym bij en enzym $\mathrm{ATPase}$

Je kunt de invloed van milieufactoren op de enzymactiviteit beschrijven.

• De enzymactiviteit kan worden bepaald door de hoeveelheid substraat te meten die per tijdseenheid wordt omgezet
• Temperatuur beïnvloed de enzymactiviteit volgens een optimumkromme
  • Bij toenemende temperatuur zetten intacte enzymmoleculen sneller substraatmoleculen om
  • Boven de optimumtemperatuur verliezen steeds meer enzymmoleculen hun specifieke ruimtelijke structuur, dit heet denaturatie. Deze verandering is irreversibel (onomkeerbaar)
• Zuurgraad ($\mathrm{pH}$): beïnvloed de enzymactiviteit volgens een optimumkromme
  • Een oplossing die veel $\mathrm{H}{}^{+}$-ionen bevat, is basisch. De $\mathrm{pH}$ is dan lager dan 7
  • Een oplossing die weinig $\mathrm{H}{}^{+}$ ionen bevat, is basisch. De $\mathrm{pH}$ is dan hoger dan 7
  • De ruimtelijke structuur van enzymmoleculen blijft alleen bij een bepaalde $\mathrm{pH}$ in stand
  • De invloed van de $\mathrm{pH}$ op de enzymactiviteit is irreversibel (niet omkeerbaar)
• Bepaalde stoffen kunnen de enzymactiviteit beïnvloeden
  • Activering: de ruimtelijke structuur van een enzymmolecuul wordt zodanig veranderd, dat sneller E-S-complexen kunnen worden gevormd (bijv. sommige hormonen, vitaminen, geneesmiddelen)
  • Remming: remstoffen veranderen de ruimtelijke structuur van enzymmoleculen, waardoor geen E-S-complexen meer kunnen worden gevormd (bijv. zware metalen). Deze verandering is irreversibel

9.3 Koolstofassimilatie

Je kunt de fotosynthese en de chemosynthese beschrijven

• Fotosynthese: koolstofassimilatie met behulp van lichtenergie
  • Nettoreactievergelijking: $6\mathrm{CO}{}_2+6\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6+6\mathrm{O}{}_2$
• Fotosynthese vind plaats in cellen van planten en in sommige bacteriën
  • Het fotosynthetisch pigment chlorofyl (bladgroen) bevindt zich in chloroplasten (bladgroenkorrels) en absorbeert lichtenergie
  • De glucose die bij de fotosynthese ontstaat, wordt meestal direct omgezet in zetmeel
• De fotosynthese bestaat uit twee samenhangende reactieketens: lichtreacties en donkerreacties
• Lichtreacties: lichtenergie wordt vastgelegd in energiedragers (zie 69B Lichtreactie)
  • In fotosysteem II (PSII) wordt water gesplitst, waarbij waterstofionen ($\mathrm{H}{}^{+}$), elektronen ($\mathrm{e}{}^{-}$) en zuurstof ($\mathrm{O}{}_2$) ontstaan
  • Chlorofyl kan de energierijke elektronen en waterstofionen overdragen aan energiedragers ($\mathrm{ADP}$ en $\mathrm{NADP}{}^{+}$)
  • De elektronen worden aangevuld vanuit watermoleculen, die in PSII worden gesplitst
  • De zuurstof die bij de fotosynthese ontstaat, is afkomstig van de gesplitste watermoleculen van de lichtreacties
  • Fotosysteem I (PSI) is eerder ontdekt dan fotosysteem II (PSII)
  • Als de elektronen in PSI aankomen, worden zij met behulp van lichtenergie opnieuw energierijk gemaakt. Deze energierijke elektronen worden samen met een waterstofion afgestaan aan het transportmolecuul $\mathrm{NADP}{}^{+}$ en als $\mathrm{NADPH}$ vervoerd naar de donkerreacties
• Donkerreacties: uit $\mathrm{CO}{}_2$-moleculen worden glucosemoleculen opgebouwd (zie 69C Donkerreactie, calvincyclus)
  • De energie en waterstof die hiervoor nodig zijn, worden geleverd door de energierijke producten van de lichtreacties ($\mathrm{ATP}$ en $\mathrm{NADPH}$)
  • Voor de donkerreacties is geen licht nodig
  • De donkerreacties vinden aansluitend op de lichtreacties plaats
• Chemosynthese: koolstofassimilatie met behulp van energie, verkregen uit de oxidatie van een anorganische stof (zie 69D Chemosynthese)
  • Oxidatie: onttrekking van elektronen, vaak door zuursto
  • Zwavelbacteriën oxideren waterstofsulide ($\mathrm{H}{}_2\mathrm{S}$) tot zwavel $\mathrm{S}$ en vervolgens tot zwavelzuur ($\mathrm{H}{}_2\mathrm{SO}{}_4$)
  • Nitrietbacteriën oxideren ammoniak ($\mathrm{NH}{}_3$) of ammoniumionen ($\mathrm{NH}{}_4{}^{+}$) tot nitrietionen ($\mathrm{NO}{}_2{}^{-}$)
  • Nitraatbacteriën oxideren nitrietionen tot nitraationen ($\mathrm{NO}{}_3{}^{-}$)

9.4 Voortgezette assimilatie

Je kunt de voortgezette assimilatie beschrijven

• Voortgezette assimilatie: de vorming van andere koolhydraten, vetten, eiwitten en DNA uit glucose, stikstof ($\mathrm{N}$) en fosor ($\mathrm{P}$)
  • Hierbij is $\mathrm{ATP}$ de energiebron
  • Stoffen kunnen dienen als bouwstof (zorgt voor groei, ontwikkeling en herstel van cellen), brandstof (wordt gebruikt bij de verbranding in cellen) of reservestof (wordt opgeslagen in de cellen in het lichaam)
• Assimilatie van koolhydraten
  • Koolhydraten zijn verbindingen die bestaan uit koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen (zie 67F Sachariden, koolhydraten)
  • Uit monosachariden (bijv. glucose, fructose) kunnen disachariden (bijv. sacharose) worden gevormd
  • Door polymerisatie kunnen polysachariden worden gevormd (bijv. zetmeel, glycogeen, cellulose)
  • Bij planten dient zetmeel als koolhydraatreserve en bij dieren glycogeen
• Assimilatie van eiwitten (proteïnen)
  • Eiwitten zijn polymeren van aminozuren (zie 67H Aminozuren en eiwitten). Er zijn twintig verschillende aminozuren
  • Aminozuren bestaan uit een $\mathrm{C}$-atoom, een aminogroep ($-\mathrm{NH}$), een carboxygroep ($-\mathrm{COOH}$), een $\mathrm{H}$-atoom en een restgroep
  • Planten kunnen aminozuren assimileren uit glucose en nitraationen. Dieren kunnen alleen aminozuren assimileren uit andere aminozuren
  • Essentiële aminozuren zijn aminozuren die dieren niet zelf kunnen maken
  • Niet-essentiële aminozuren zijn aminozuren die dieren wel zelf kunnen maken
  • Bij polymerisatie van sachariden en aminozuren ontstaat water
• De ruimtelijke bouw van een eiwitmolecuul wordt op meerdere niveaus bepaald:
  • primaire structuur: wordt bepaald door typen aminozuren en de volgorde waarin deze voorkomen;
  • secundaire structuur: spiraalstructuur wordt bepaald door de vorming van waterstof- en zwavelbruggen;
  • tertiaire structuur: wordt bepaald door de aantrekking en afstoting tussen hydrofiele en hydrofobe restgroepen;
  • quaternaire structuur: wordt bepaald door de manier waarop meerdere polypeptideketens samen één eiwit vormen
• Assimilatie van vetten (lipiden)
  • Een vetmolecuul is vaak opgebouwd uit glycerol en drie vetzuren (bij fosfolipiden is één vetzuur vervangen door fosforzuur [zie 67G Vetten, vetzuren en fosfolipiden)
  • Glycerol is een verbinding die bestaat uit drie $\mathrm{C}$-atomen waaraan drie $\mathrm{OH}$-groepen zijn gebonden
  • Een vetzuur is een verbinding die bestaat uit lange ketens van $\mathrm{CH}{}_2$-groepen met aan het eind daarvan een carboxygroep ($\mathrm{COOH}$)
  • Vetten worden opgeslagen als reservebrandstof
  • Celmembranen zijn opgebouwd uit fosfolipiden. Bij een fosfolipide is één vetzuur van het triglyceride vervangen door een fosfaatgroep
  • Vetzuurstaarten zijn hydrofoob (waterafstotend)
  • Tussen de verschillende cellen zit tussencelstof

9.5 Dissimilatie

Je kunt de aerobe en anaerobe dissimilatie van glucose toelichten.

• In organische moleculen bevindt de chemische energie zich vooral in energierijke bindingen
  • Bij dissimilatiereacties worden energierijke elektronen, meestal samen met waterstofionen, overgedragen aan energiedragers zoals $\mathrm{NAD}{}^{+}$ en $\mathrm{FAD}$ (flavine adenine dinucleotide)
• De aerobe dissimilatie van glucose wordt vaak verbranding genoemd
  • Brutoreactievergelijking: $\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6+6\mathrm{O}{}_2+6\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{CO}{}_2+12\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}+38\mathrm{ATP}$
  • Nettoreactievergelijking: $\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_{12}\mathrm{O}{}_6+6\mathrm{O}{}_2\to 6\mathrm{CO}{}_2+6\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}+36\mathrm{ATP}$
• De aerobe dissimilatie bestaat uit de glycolyse, de vorming van acetyl-co-enzym A (acetyl-CoA), de citroenzuurcyclus en de oxidatieve fosforylering (zie BiNaS tabel 68A, 68B, 68C, 68D)
• Glycolyse: een glucosemolecuul wordt gesplitst in twee pyrodruivenzuurmoleculen
  • De glycolyse vindt plaats in het cytoplasma
  • Voor de glycolyse is geen zuurstof nodig
  • Het eindproduct van de glycolyse is pyrodruivenzuur
• Pyrodruivenzuur wordt met behulp van co-enzym A in de citroenzuurcyclus opgenomen, daarbij ontstaat citroenzuur
• Citroenzuurcyclus (krebscyclus): citroenzuur wordt afgebroken
  • Energierijke elektronen en waterstofionen worden overgedragen aan energiedragers ($\mathrm{NAD}{}^{+}$ en $\mathrm{FAD}$)
  • De citroenzuurcyclus vindt plaats in de vloeistof (matrix) in de mitochondriën
• Bij de vorming van acetyl-co-enzym A en bij de citroenzuurcyclus ontstaat $\mathrm{CO}{}_2$ (decarboxylering)
• Oxidatieve fosforylering (elektronentransportketen): energierijke elektronen staan hun energie geleidelijk af voor de vorming van $\mathrm{ATP}$ uit $\mathrm{ADP}$ en een fosfaatgroep ($\mathrm{P}{}_{\mathrm{i}}$)
  • Uiteindelijk worden de elektronen (samen met waterstofionen) gebonden aan zuurstof Hierbij ontstaan watermoleculen
  • De oxidatieve fosforylering vindt plaats in het binnenmembraan van de mitochondriën
  • De dissimilatie van een glucosemolecuul levert de energie voor de vorming van $\mathrm{ATP}$-moleculen
  • Bij de glycolyse worden netto 2 $\mathrm{ATP}$-moleculen gevormd per molecuul glucose
  • Bij de citroenzuurcyclus worden 2 $\mathrm{ATP}$-moleculen gevormd per molecuul glucose
  • Bij de oxidatieve fosforylering kunnen theoretisch 34 $\mathrm{ATP}$-moleculen worden gevormd per molecuul glucose
  • Door energiegebruik voor transport en door warmteproductie bij energieomzettingen valt de $\mathrm{ATP}$-opbrengst van de aerobe dissimilatie meestal lager uit dan het maximum van 38 (circa 30 tot 32 $\mathrm{ATP}$-moleculen per molecuul glucose)
• Anaerobe dissimilatie van glucose (gisting of fermentatie): hierbij vindt alleen glycolyse plaats (zie 68B Glycolyse en gisting)
  • Per glucosemolecuul worden slechts 2 $\mathrm{ATP}$-moleculen gevormd.
  • Er blijven energierijke eindproducten over: alcohol of melkzuur.
• Alcoholgisting: het eindproduct van de glycolyse (pyrodruivenzuur) wordt omgezet in ethanol
  • Bij deze omzetting ontstaat $\mathrm{CO}{}_2$ en wordt $\mathrm{NAD}{}^{+}$ gevormd
  • Alcoholgisting wordt toegepast bij de bereiding van bier, wijn en brood
• Melkzuurgisting: pyrodruivenzuur wordt omgezet in melkzuur
  • Bij deze omzetting wordt $\ce{NAD+} gevormd
  • Melkzuurgisting wordt toegepast bij de bereiding van kaas, yoghurt en zuurkool
  • Melkzuurgisting vindt ook plaats in spieren, wanneer er in korte tijd veel energie moet worden geleverd
• Fermentatie in de maag van koeien leidt tot de vorming van het broeikasgas methaan ($\mathrm{CH}{}_4$)

Je kunt de dissimilatie van eiwitten en vetten beschrijven.

• Dissimilatie van eiwitten (zie 68B Glycolyse en gisting)
  • Eiwitten worden gesplitst in aminozuren
  • Van de aminozuren wordt de aminogroep afgesplitst en omgezet in ammoniak
  • De overblijvende koolstofketen wordt omgezet in pyrodruivenzuur, in acetyl-CoA of in een andere stof en verder gedissimileerd in de citroenzuurcyclus
• Dissimilatie van vetten (zie 68E Dissimilatie van eiwitten, koolhydraten en vetten)
  • Vetten worden gesplitst in glycerol en vetzuren
  • Glycerol wordt omgezet in pyrodruivenzuur
  • Van de vetzuren worden $\mathrm{C}{}_2$-moleculen afgesplitst, die worden omgezet in acetyl-CoA dat verder wordt afgebroken in de citroenzuurcyclus

Overig

Lijst met afkortingen

Enzym of afkorting	Volledige naam	Structuurformule
ATP	Adenosinetrifosfaat	$\mathrm{C}{}_{10}\mathrm{H}{}_{16}\mathrm{N}{}_5\mathrm{O}{}_{13}\mathrm{P}{}_3$
ADP	Adenosinedifosfaat	$\mathrm{C}{}_{10}\mathrm{H}{}_{15}\mathrm{N}{}_5\mathrm{O}{}_{10}\mathrm{P}{}_2$
AMP	Adenosinemonofosfaat	$\mathrm{C}{}_{10}\mathrm{H}{}_{14}\mathrm{N}{}_5\mathrm{O}{}_7\mathrm{P}$
NADP+	Nicotinamide adenine dinucleotide fosfaat	$\mathrm{C}{}_{21}\mathrm{H}{}_{29}\mathrm{N}{}_7\mathrm{O}{}_{17}\mathrm{P}{}_3$
NAD+	Nicotinamide adenine dinucleotide	$\mathrm{C}{}_{21}\mathrm{H}{}_{27}\mathrm{N}{}_7\mathrm{O}{}_{14}\mathrm{P}{}_2$
NADPH	Gereduceerde vorm van NADP+	$\mathrm{C}{}_{21}\mathrm{H}{}_{30}\mathrm{N}{}_7\mathrm{O}{}_{17}\mathrm{P}{}_3$
ATPase	Adenosinetrifosfaat-splitsend enzym	Reactievergelijking: $\mathrm{ATP}+\mathrm{H}{}_2\mathrm{O}\to \mathrm{ADP}+\mathrm{P}{}_{\mathrm{i}}+\mathrm{energie}$
FAD	Flavine adenine dinucleotide	$\mathrm{C}{}_{27}\mathrm{H}{}_{33}\mathrm{N}{}_9\mathrm{O}{}_{15}\mathrm{P}{}_2$
Acetyl-CoA	Acetyl co-enzym A	$\mathrm{C}{}_{23}\mathrm{H}{}_{38}\mathrm{N}{}_7\mathrm{O}{}_{17}\mathrm{P}{}_3\mathrm{S}$
PSII	Fotosysteem II (in chloroplasten)	-
PSI	Fotosysteem I (in chloroplasten)	-
Pyrodruivenzuur	Pyruvaat	$\mathrm{C}{}_3\mathrm{H}{}_4\mathrm{O}{}_3$
Citroenzuur	Tricarboxylzuur (in citroenzuurcyclus)	$\mathrm{C}{}_6\mathrm{H}{}_8\mathrm{O}{}_7$
Melkzuur	Lactic acid	$\mathrm{C}{}_3\mathrm{H}{}_6\mathrm{O}{}_3$
Ethanol	Alcohol (bij alcoholgisting)	$\mathrm{C}{}_2\mathrm{H}{}_5\mathrm{OH}$
Acetyl-CoA Synthase	Enzym dat acetyl-CoA vormt	-

Extra uitleg

• Biologie voor jou: 9. Stofwisseling in de cel
• Biologiepagina: stofwisseling

Videos

Oefenen

• Biologie voor jou: 9. Stofwisseling in de cel
• Biologiepagina: stofwisseling

Bronnen

• Biologie voor jou: 9. Stofwisseling in de cel