pg8.pdf

# Metabolisme en energieomzetting in cellen Dit onderwerp behandelt de algemene processen van katabolisme en biosynthese, met een focus op de fasen van afbraak en opbouw van moleculen en de rol van acetyl-CoA. ### 1.1 Algemene principes van metabolisme Metabolisme omvat de georganiseerde chemische reacties in een cel. Het wordt onderverdeeld in katabolisme (afbraak) en biosynthese (opbouw). Enzymen katalyseren deze reacties, vaak met de hulp van cofactoren. Substraten binden aan het actieve centrum van een enzym, vormen een enzym-substraatcomplex (ES-complex), en worden vervolgens omgezet in product [1](#page=1). ### 1.2 Katabolisme in fasen Katabolisme verloopt in drie fasen [1](#page=1). * **Fase 1:** Grote voedselmoleculen worden afgebroken tot hun monomeren. Polysachariden worden afgebroken tot hexosen en pentosen, lipiden tot glycerol en vetzuren, en proteïnen tot aminozuren [1](#page=1). * **Fase 2:** Deze bouwstenen worden verder afgebroken tot kleinere moleculen, met name acetyl-CoA [1](#page=1). * **Fase 3:** De acetylgroepen uit acetyl-CoA worden geoxideerd tot koolstofdioxide (CO$_{2}$). Hierbij wordt zuurstof (O$_{2}$) gereduceerd tot water (H$_{2}$O) en komt energie vrij in de vorm van ATP [1](#page=1). ### 1.3 Biosynthese in fasen Biosynthese verloopt eveneens in drie fasen, welke de omgekeerde weg bewandelen van katabolisme. Kleine voorlopermoleculen uit fase 3 worden in fase 2 omgezet tot bouwstenen, die vervolgens in fase 1 worden samengevoegd tot macromoleculen [1](#page=1). ### 1.4 Koolstofassimilatie en synthese Fotosynthese is een proces waarbij koolstofdioxide (CO$_{2}$) en water (H$_{2}$O) worden omgezet in glucose en zuurstof (O$_{2}$) met behulp van lichtenergie. De zuurstof die hierbij vrijkomt, is afkomstig van water, niet van CO$_{2}$. De algemene reactievergelijking voor fotosynthese is [1](#page=1): $$6 \text{ CO}_2 + 12 \text{ H}_2\text{O} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{ O}_2 + 6 \text{ H}_2\text{O}$$ #### 1.4.1 Licht- en donkerreactie in chloroplasten Fotosynthese bestaat uit twee hoofdtypen reacties: * **Lichtreactie:** Vindt plaats in de thylakoïden en splitst water. Hierbij worden ATP en NADPH gevormd [1](#page=1). * **Donkerreactie (Calvincyclus):** Vindt plaats in het stroma en gebruikt de energie van ATP en NADPH om CO$_{2}$ te reduceren tot suiker [1](#page=1). #### 1.4.2 Fotosynthese bij purper zwavelbacteriën Purper zwavelbacteriën gebruiken waterstofsulfide (H$_{2}$S) als elektronendonor in plaats van water. De reactie ziet er als volgt uit [1](#page=1): $$6 \text{ CO}_2 + 12 \text{ H}_2\text{S} \longrightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 12 \text{ S} + 6 \text{ H}_2\text{O}$$ ### 1.5 Katabole processen en vertering Tijdens de vertering worden voedingsstoffen afgebroken tot hun basisbouwstenen: suikers tot monosachariden, vetten tot glycerol en vetzuren, en eiwitten tot aminozuren [1](#page=1). ### 1.6 Acetyl-CoA en mitochondriale afbraak Acetyl-CoA is een centrale molecule die ontstaat uit de afbraak van pyrodruivenzuur, vetzuren en aminozuren. Het speelt een cruciale rol in de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering [1](#page=1). #### 1.6.1 Bèta-oxidatie van vetzuren Vetzuren worden geactiveerd tot acetyl-CoA en vervolgens via bèta-oxidatie afgebroken tot acetyl-CoA. Elke cyclus van bèta-oxidatie levert NADH, FADH$_{2}$ en ATP op [1](#page=1). ### 1.7 Glucose en celademhaling Glycolyse, de afbraak van glucose, vindt plaats in het cytosol. Verdere afbraak van producten van glycolyse vindt plaats in de mitochondriën [1](#page=1). #### 1.7.1 Anaerobe afbraak In afwezigheid van zuurstof (anaeroob) wordt pyrodruivenzuur omgezet in melkzuur (in spieren) of ethanol en CO$_{2}$ (in gisten). Het doel van deze omzetting is de regeneratie van NAD$^{+}$ voor het voortzetten van de glycolyse [1](#page=1). ### 1.8 Energieopslag en glucoseoverschot Een glucoseoverschot wordt opgeslagen als glycogeen bij dieren en als zetmeel bij planten. Vetzuren worden opgeslagen als vetdruppels [1](#page=1). --- # Koolstofassimilatie en fotosynthese Fotosynthese is het proces waarbij koolstofdioxide en water worden omgezet in glucose en zuurstof, aangedreven door lichtenergie [1](#page=1). ### 2.1 Algemene reactie en principes van fotosynthese De algemene reactievergelijking voor fotosynthese is: $$6 \text{ CO}_2 + 12 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{ O}_2 + 6 \text{ H}_2\text{O}$$ [1](#page=1). Hierbij is het belangrijk te weten dat de geproduceerde zuurstof afkomstig is van de splitsing van watermoleculen en niet van koolstofdioxide [1](#page=1). ### 2.2 Licht- en donkerreacties in chloroplasten Fotosynthese vindt plaats in twee hoofdseries van reacties binnen de chloroplasten: * **Lichtreactie:** Deze reacties vinden plaats in de thylakoïden. Tijdens de lichtreactie wordt water gesplitst, waarbij ATP en NADPH worden gevormd. Deze moleculen dienen als energie- en reductiekracht voor de volgende fase [1](#page=1). * **Donkerreactie (Calvincyclus):** Deze reacties vinden plaats in het stroma van de chloroplasten. De energie en reductiekracht (ATP en NADPH) die in de lichtreactie zijn geproduceerd, worden hier gebruikt om koolstofdioxide te reduceren tot suiker [1](#page=1). ### 2.3 Fotosynthese bij purperzwavelbacteriën Purperzwavelbacteriën voeren een variant van fotosynthese uit waarbij water (H₂O) wordt vervangen door waterstofsulfide (H₂S) als donor van elektronen. De reactie die dit proces beschrijft is [1](#page=1): $$6 \text{ CO}_2 + 12 \text{ H}_2\text{S} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 12 \text{ S} + 6 \text{ H}_2\text{O}$$ [1](#page=1). In plaats van zuurstof wordt hierbij zwavel geproduceerd als bijproduct [1](#page=1). --- # Cellulaire ademhaling en energiewinning Cellulaire ademhaling is het proces waarbij organismen energie vrijmaken uit voedingsstoffen, voornamelijk glucose, om ATP te produceren. Dit proces verloopt in meerdere fasen, beginnend met de afbraak van glucose in het cytosol en gevolgd door verdere oxidatie in de mitochondriën [1](#page=1). ### 3.1 Fases van katabolisme Het katabolisme, oftewel de afbraak van moleculen, verloopt doorgaans in drie fasen [1](#page=1): * **Fase 1:** Afbraak van grote voedselmoleculen tot hun monomeren. Polysachariden worden afgebroken tot hexosen en pentosen, lipiden tot glycerol en vetzuren, en proteïnen tot aminozuren [1](#page=1). * **Fase 2:** Verdere afbraak van deze monomeren tot kleinere moleculen, met acetyl-CoA als een belangrijke tussenstap [1](#page=1). * **Fase 3:** Oxidatie van acetylgroepen tot koolstofdioxide ($CO_2$), waarbij zuurstof ($O_2$) wordt gereduceerd tot water ($H_2O$) en energie vrijkomt in de vorm van ATP [1](#page=1). ### 3.2 Glucoseafbraak en celademhaling De cellulaire afbraak van glucose, ook wel celademhaling genoemd, omvat meerdere belangrijke processen [1](#page=1). #### 3.2.1 Glycolyse Glycolyse is de eerste stap in de afbraak van glucose en vindt plaats in het cytosol van de cel. Tijdens dit proces wordt een glucosemolecuul ($C_6H_{12}O_6$) omgezet in twee moleculen pyrodruivenzuur (ook wel pyruvaat genoemd). Dit proces genereert een netto winst van ATP en $NADH$ [1](#page=1). #### 3.2.2 Mitochondriale afbraak Na de glycolyse worden de pyrodruivenzuurmoleculen de mitochondriën binnengebracht voor verdere afbraak. Hier worden ze omgezet in acetyl-CoA, dat vervolgens de citroenzuurcyclus (ook wel de $Krebs$-cyclus genoemd) binnengaat [1](#page=1). #### 3.2.3 Acetyl-CoA Acetyl-CoA is een centrale molecule in de energiestofwisseling. Het kan ontstaan uit de afbraak van pyrodruivenzuur, vetzuren (via bèta-oxidatie) en aminozuren. Acetyl-CoA levert de acetylgroepen voor de citroenzuurcyclus en de oxidatieve fosforylering, waar de meeste ATP wordt geproduceerd [1](#page=1). ##### 3.2.3.1 Bèta-oxidatie van vetzuren Vetzuren worden geactiveerd en vervolgens via bèta-oxidatie afgebroken tot acetyl-CoA. Elke cyclus van bèta-oxidatie produceert $NADH$, $FADH_2$ en ATP [1](#page=1). #### 3.2.4 Anaërobe afbraak Wanneer er onvoldoende zuurstof beschikbaar is voor de volledige aërobe afbraak in de mitochondriën, treden anaërobe processen op. Het pyrodruivenzuur wordt dan omgezet in melkzuur in spiercellen, of in ethanol en $CO_2$ in gisten. Het hoofddoel van deze omzetting is de regeneratie van $NAD^+$ uit $NADH$, wat essentieel is om de glycolyse te laten doorgaan [1](#page=1). > **Tip:** Begrijpen van de rol van $NAD^+$ en $NADH$ is cruciaal voor het begrijpen van zowel aërobe als anaërobe ademhaling, aangezien deze cofactoren essentieel zijn voor elektronentransport en energieregeneratie. ### 3.3 Energiewinning en opslag De vrijgekomen energie tijdens de cellulaire ademhaling wordt voornamelijk opgeslagen in de vorm van ATP (adenosinetrifosfaat) [1](#page=1). #### 3.3.1 Opslag van glucoseoverschot Een overschot aan glucose wordt in dieren opgeslagen als glycogeen, en in planten als zetmeel. Vetzuren worden opgeslagen in vetdruppels [1](#page=1). ### 3.4 Koolstofassimilatie en synthese (contextueel) Hoewel dit hoofdstuk primair gericht is op de afbraak van voedingsstoffen, is het relevant om te vermelden dat de biosynthese van moleculen ook in drie fasen verloopt. Kleine voorlopermoleculen uit fase 3 worden in fase 2 omgezet tot bouwstenen, die vervolgens in fase 1 worden samengevoegd tot macromoleculen. Fotosynthese is een voorbeeld van koolstofassimilatie, waarbij $CO_2$ en water worden omgezet in glucose en zuurstof met behulp van lichtenergie. De zuurstof die hierbij vrijkomt, is afkomstig van water, niet van $CO_2$. De algemene reactievergelijking voor fotosynthese is $6 CO_2 + 12 H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6 O_2 + 6 H_2O$. Binnen de chloroplasten vindt de lichtreactie plaats in de thylakoïden, waar water wordt gesplitst en ATP en $NADPH$ worden gevormd. De donkerreactie (Calvincyclus) vindt plaats in het stroma en gebruikt deze energie om $CO_2$ te reduceren tot suiker. Bacteriën zoals purperzwavelbacteriën gebruiken waterstofsulfide ($H_2S$) in plaats van water als elektronendonor, met de reactie $6 CO_2 + 12 H_2S \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 12 S + 6 H_2O$ [1](#page=1). --- # Opslag van energiereserves Dit onderwerp beschrijft hoe overtollige glucose en vetzuren worden opgeslagen in de cel, respectievelijk als glycogeen/zetmeel en vetdruppels [1](#page=1). ### 4.1 Opslag van glucoseoverschotten Overtollige glucose in de cel wordt opgeslagen in de vorm van glycogeen in dieren en zetmeel in planten. Deze polymeren dienen als reservekoolhydraten die de cel kan aanspreken wanneer er energie nodig is [1](#page=1). ### 4.2 Opslag van vetzuren Overtollige vetzuren worden opgeslagen als vetdruppels in de cel. Deze vetdruppels zijn lipidebolletjes die efficiënt energie kunnen opslaan [1](#page=1). #### 4.2.1 Beta-oxidatie van vetzuren Vetzuren kunnen worden afgebroken via beta-oxidatie, waarbij ze geactiveerd worden en vervolgens in cycli worden gesplitst tot acetyl-CoA. Elke cyclus van beta-oxidatie levert ook NADH, FADH2 en ATP op. Het gevormde acetyl-CoA kan vervolgens de citroenzuurcyclus ingaan voor verdere energieproductie [1](#page=1). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Cofactoren | Moleculen die nodig zijn voor enzymatische activiteit, vaak metalen of organische verbindingen, die helpen bij de chemische reactie. | | Actieve centrum | Het specifieke gebied op een enzym waar de substraatmoleculen binden en de chemische reactie plaatsvindt. | | ES-complex | Een tijdelijke structuur die gevormd wordt wanneer een substraat bindt aan het actieve centrum van een enzym, wat leidt tot de vorming van een product. | | Katabolisme | Het biochemische proces waarbij grote, complexe moleculen worden afgebroken tot kleinere, eenvoudigere moleculen, waarbij energie vrijkomt. | | Monomeren | Kleine, herhalende eenheden waaruit grotere moleculen (polymeren) zijn opgebouwd, zoals aminozuren voor proteïnen. | | Hexosen | Een monosacharide met zes koolstofatomen, zoals glucose, die een belangrijke energiebron is voor cellen. | | Pentosen | Een monosacharide met vijf koolstofatomen, zoals ribose, die een bouwsteen is van RNA en DNA. | | Glycerol | Een alcohol met drie koolstofatomen die samen met vetzuren de bouwsteen vormt van lipiden. | | Vetzuren | Een koolwaterstofketen met een carboxylgroep, die samen met glycerol lipiden vormt en als energiebron kan dienen. | | Aminozuren | Organische moleculen die dienen als bouwstenen voor eiwitten en een centrale koolstofatoom bevatten met een aminogroep en een carboxylgroep. | | Acetyl-CoA | Een molecuul dat een centrale rol speelt in het metabolisme, gevormd uit pyrodruivenzuur, vetzuren en aminozuren, en essentieel is voor de citroenzuurcyclus. | | Oxidatie | Een chemische reactie waarbij een stof elektronen verliest, vaak gepaard gaand met de toevoeging van zuurstof of verwijdering van waterstof. | | Reductie | Een chemische reactie waarbij een stof elektronen wint, vaak gepaard gaand met de verwijdering van zuurstof of toevoeging van waterstof. | | ATP | Adenosinetrifosfaat, de primaire energiedrager in cellen, waarbij de energie wordt opgeslagen in de fosfaatbindingen. | | Biosynthese | Het biochemische proces waarbij complexe moleculen worden opgebouwd uit eenvoudigere voorlopermoleculen, waarvoor energie nodig is. | | Koolstofassimilatie | Het proces waarbij organismen koolstofdioxide uit de atmosfeer opnemen en omzetten in organische moleculen, zoals bij fotosynthese. | | Fotosynthese | Het proces waarbij planten, algen en sommige bacteriën lichtenergie gebruiken om koolstofdioxide en water om te zetten in glucose en zuurstof. | | Chloroplast | Het organel in plantencellen waar fotosynthese plaatsvindt, omgeven door membranen die thylakoïden bevatten. | | Thylakoïden | Membraanstructuren binnen chloroplasten waar de lichtreacties van fotosynthese plaatsvinden. | | Stroma | De vloeibare matrix binnen de chloroplasten, gelegen buiten de thylakoïden, waar de donkerreacties van fotosynthese plaatsvinden. | | Calvincyclus | Een reeks biochemische reacties in de donkerreactie van fotosynthese, waarbij koolstofdioxide wordt gefixeerd en gereduceerd tot suikers. | | Purperzwavelbacteriën | Een groep bacteriën die fotosynthese kunnen uitvoeren door waterstofsulfide (H2S) te gebruiken als elektronendonor in plaats van water. | | Waterstofsulfide (H2S) | Een gas dat door sommige bacteriën gebruikt kan worden als elektronendonor in hun fotosynthetische proces. | | Citroenzuurcyclus | Een cyclische reeks chemische reacties in de mitochondriale matrix die centraal staat in de cellulaire ademhaling, waarbij acetyl-CoA wordt geoxideerd. | | Oxidatieve fosforylering | Het proces waarbij ATP wordt gesynthetiseerd door de oxidatie van voedingsstoffen, waarbij een elektronentransportketen en chemiosmose worden gebruikt. | | Beta-oxidatie | Een metabolisch proces dat plaatsvindt in de mitochondriën, waarbij vetzuren worden afgebroken tot acetyl-CoA. | | NADH | Nicotinamide adenine dinucleotide, een co-enzym dat fungeert als elektronendrager en een rol speelt in cellulaire ademhaling en biosynthetische reacties. | | FADH2 | Flavin adenine dinucleotide, een co-enzym dat eveneens als elektronendrager fungeert in cellulaire ademhaling. | | Glycolyse | Het metabole proces waarbij glucose wordt afgebroken tot twee moleculen pyrodruivenzuur, wat plaatsvindt in het cytoplasma van cellen. | | Cytosol | Het vloeibare deel van het cytoplasma van een cel, waarin de organellen zich bevinden. | | Mitochondriën | Organellen in eukaryote cellen die verantwoordelijk zijn voor de productie van ATP door cellulaire ademhaling. | | Anaërobe afbraak | De afbraak van moleculen in de afwezigheid van zuurstof, zoals fermentatie. | | Pyrodruivenzuur | Een drie-koolstofmolecuul dat het eindproduct is van glycolyse en verder kan worden afgebroken in de citroenzuurcyclus of via fermentatie. | | Melkzuur | Een organisch zuur dat wordt gevormd tijdens anaërobe ademhaling in spiercellen en sommige bacteriën. | | Ethanol | Een alcohol die wordt geproduceerd tijdens de fermentatie van suikers door gisten. | | NAD+ | De geoxideerde vorm van nicotinamide adenine dinucleotide, essentieel voor glycolyse en andere oxidatiereacties. | | Glycogeen | Een vertakt polysacharide die dient als opslagvorm van glucose in dieren, voornamelijk in de lever en spieren. | | Zetmeel | Een polysacharide die dient als opslagvorm van glucose in planten. | | Vetdruppels | Opslagvormen van lipiden in cellen, voornamelijk bestaande uit triglyceriden. |