Cursus.pdf

# Basisprincipes van metabolisme en energiedragers Het metabolisme omvat alle chemische reacties in een organisme, verdeeld in katabolisme (afbraak) en anabolisme (opbouw), met ATP als centrale energiedrager [1](#page=1). ## 1. Basisprincipes van metabolisme en energiedragers ### 1.1 Algemene beschouwing van metabolisme Het metabolisme is de totaliteit van chemische reacties binnen een organisme die energie produceren of verbruiken. Deze reacties zijn georganiseerd in metabolische routes, die lineair, cyclisch of vertakt kunnen zijn. Het metabolisme wordt opgedeeld in twee hoofdcomponenten [1](#page=1): * **Anabolisme:** Het proces van synthese van complexere moleculen uit eenvoudigere precursoren, zoals de biosynthese van eiwitten, lipiden en nucleïnezuren. Anabolisme is een endergonisch proces, wat betekent dat het energie verbruikt [1](#page=1). * **Katabolisme:** Het netwerk van reacties waarbij complexe moleculen worden afgebroken tot kleinere eenheden (zoals CO2 en H2O), vaak gepaard gaande met zuurstofverbruik bij zoogdieren. Katabolisme is een exergonisch proces dat energie vrijmaakt, voornamelijk in de vorm van ATP, en genereert reducerende equivalenten (NADH, NADPH). De vrijgekomen energie is essentieel voor anabole processen en voor het verrichten van arbeid zoals transport, spierbeweging en signaaltransductie [1](#page=1). De belangrijkste brandstofmoleculen voor katabolisme zijn koolhydraten, vetzuren en aminozuren. De afbraakproducten van katabolisme kunnen tevens dienen als precursors voor biosynthese [1](#page=1). #### 1.1.1 Brandstofselectie in verschillende weefsels en toestanden De keuze van brandstofmoleculen is afhankelijk van het orgaan, de voedingstoestand en de hormonale status [2](#page=2). * **Voorbeelden:** * Rode bloedcellen en zenuwweefsel gebruiken voornamelijk koolhydraten [2](#page=2). * De lever van een diabetische of ondervoede persoon zal voornamelijk lipiden metaboliseren door een tekort aan koolhydraten [2](#page=2). * Lever en pancreas zijn voornamelijk betrokken bij biosynthetische en secretorische functies [2](#page=2). * Hart- en skeletspieren zetten energie uit katabole processen om in mechanische energie tijdens contractie [2](#page=2). #### 1.1.2 Het "samsara" van metabolisme Figuur 1.1 illustreert de cyclus van metabolisme: katabolisme produceert ATP en reducerende equivalenten uit brandstofmoleculen, terwijl anabolisme deze gebruikt voor biosynthese en het regenereren van geoxideerde co-enzymen. Afvalstoffen zijn koolstofdioxide, water en ammoniak [2](#page=2). > **Tip:** Begrijp de wisselwerking tussen katabolisme en anabolisme; de ene levert de energie en bouwstenen voor de andere. ### 1.2 Adenosinetrifosfaat (ATP) als energiedrager Levende organismen hebben continu energie nodig voor mechanische arbeid, transport van moleculen en de biosynthese van macromoleculen. ATP is de universele energiedrager voor de meeste van deze processen [2](#page=2). #### 1.2.1 Structuur van ATP ATP bestaat uit: * **Adenine:** Een purinebase [3](#page=3). * **Ribose:** Een suikereenheid [3](#page=3). * **Trifosfaat-eenheid:** Drie fosfaatgroepen verbonden via fosfoanhydrische bindingen aan de 5'-positie van de ribose. De bèta- en gamma-fosfaatgroepen worden beschouwd als energierijke bindingen [4](#page=4). De actieve vorm van ATP is een complex met Mg2+ [3](#page=3). #### 1.2.2 Energierijke bindingen en hydrolyse "Energierijke binding" betekent dat de hydrolyse van deze binding aanzienlijke vrije energie vrijgeeft, omdat de producten stabieler zijn dan de oorspronkelijke verbinding. De negatieve standaardvrije energieverandering (∆G0’) bij hydrolyse van energierijke bindingen is aanzienlijk groter (5-15 kcal/mol) dan die van simpele fosfaatesters (1-3 kcal/mol) [4](#page=4). * **Hydrolyse van ATP:** * ATP → ADP + Pi (orthofosfaat): ∆G0’ ≈ -7,3 kcal/mol [7](#page=7). * ATP → AMP + PPi (pyrofosfaat): PPi wordt verder gehydrolyseerd tot 2 Pi, wat nog eens ~7,5 kcal/mol vrijgeeft [4](#page=4). #### 1.2.3 Thermodynamische principes * **Eerste wet van de thermodynamica:** Energie kan niet worden gecreëerd of vernietigd, alleen worden omgezet. Chemische energie in glucose wordt omgezet in chemische energie in ATP, en in spieren in mechanische energie [4](#page=4). * **Tweede wet van de thermodynamica:** Processen evolueren naar een toestand van maximale entropie (wanorde) [4](#page=4). * **Vrije energie (G):** Het deel van de totale energie in een systeem dat beschikbaar is voor nuttige arbeid. Veranderingen in vrije energie (∆G) worden gebruikt om de spontaniteit van reacties te bepalen [5](#page=5). #### 1.2.4 Definitie van ΔG en ΔG0 * **ΔG (verandering van vrije energie):** De maximale hoeveelheid energie die vrijkomt bij een reactie van toestand A naar toestand B [5](#page=5). * **Exergonisch:** ∆G < 0; spontaan proces, energie wordt vrijgesteld [5](#page=5). * **Endergonisch:** ∆G > 0; niet-spontaan proces, energie wordt geabsorbeerd [5](#page=5). * **Equilibrium:** ∆G = 0 [5](#page=5). * **ΔG0 (standaardvrije energieverandering):** De ∆G onder standaardcondities (1 molair concentratie, 1 atm druk, pH=0) [5](#page=5). De relatie tussen ∆G, ∆G0 en concentraties wordt gegeven door: $$ \Delta G = \Delta G^0 + RT \ln \frac{[B]}{[A]} $$ Waarbij: * $R$ de gasconstante is ($8,31 \, \text{J} \cdot \text{mol}^{-1} \cdot \text{K}^{-1}$) [5](#page=5). * $T$ de absolute temperatuur in Kelvin is [5](#page=5). * $\ln$ de natuurlijke logaritme is [5](#page=5). #### 1.2.5 Definitie van ΔG0' * **ΔG0’ (gewijzigde standaardvrije energieverandering):** Wordt gebruikt voor biochemische reacties en houdt rekening met een pH van 7 (10^-7 M H⁺) in plaats van pH 0 [6](#page=6). De hydrolyse van ATP naar ADP en Pi bij pH 7 resulteert in: $$ \text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{ADP} + \text{Pi} + \text{H}^+ $$ Experimenteel wordt gevonden: $$ \Delta G^{0'} \approx -7.3 \, \text{kcal} \cdot \text{mol}^{-1} \approx -31 \, \text{kJ} \cdot \text{mol}^{-1} $$ Dit geldt bij 1 M concentraties van reagentia en producten [7](#page=7). #### 1.2.6 Fysiologische ΔG In de levende cel zijn de concentraties van ATP, ADP en Pi veel lager dan 1 M (meestal in het millimolaire gebied). Dit leidt tot een fysiologische ∆G die significant kan afwijken van de ∆G0’. Bijvoorbeeld, in spiercellen kan de fysiologische ∆G voor ATP-hydrolyse significant negatiever zijn dan de standaardwaarde, mede door de relatief hoge ATP/ADP ratio [7](#page=7). * **Voorbeeld in spiercel:** [ATP ≈ 8,50 mM, [ADP ≈ 0,25 mM, [Pi ≈ 2,60 mM [7](#page=7). De fysiologische vrije energieverandering wordt dan berekend met de formule: $$ \Delta G = \Delta G^{0'} + RT \ln \frac{[\text{ADP}][\text{Pi}]}{[\text{ATP}]} $$ Dit resulteert in een hogere negatieve ∆G dan de standaardwaarde [7](#page=7). #### 1.2.7 Activeringsenergie De snelheid van een reactie wordt niet bepaald door de ∆G, maar door de activeringsenergie, die kan worden verlaagd door katalysatoren zoals enzymen [8](#page=8). #### 1.2.8 Koppeling van reacties Energiereacties in cellulaire systemen zijn additief. Een endergonische reactie (∆G > 0) kan spontaan verlopen als deze wordt gekoppeld aan een sterk exergonische reactie (∆G < 0), zodat de totale ∆G negatief is. ATP-hydrolyse wordt vaak gekoppeld aan energie-vereisende reacties om deze aan te drijven [8](#page=8). * **Mechanisme van koppeling:** Een energie-vereisende reactie (bv. A + B → AB, ∆G0’ > 0) kan worden gekoppeld aan ATP-hydrolyse. Vaak wordt een intermediair gevormd, zoals een fosforyleerd product (A~P), dat vervolgens reageert met de andere reactant (B) om het eindproduct (AB) te vormen. De totale reactie kan dan zijn [9](#page=9): $$ \text{A} + \text{B} + \text{ATP} \rightarrow \text{AB} + \text{Pi} + \text{ADP} $$ De totale ∆G0’ is de som van de individuele reacties, wat resulteert in een netto negatieve ∆G0’ [9](#page=9). > **Tip:** ATP-hydrolyse kan op twee manieren energie leveren: directe hydrolyse naar ADP + Pi, of hydrolyse naar AMP + PPi, waarbij de verdere hydrolyse van PPi additionele energie levert. Dit is cruciaal voor reacties die veel energie vereisen, zoals de synthese van nucleïnezuren [10](#page=10). #### 1.2.9 Calorische waarde van voedingssubstanties De volledige oxidatie van glucose levert een aanzienlijke hoeveelheid vrije energie op (∆G0’ = –686.000 cal mol^–1). Een deel hiervan wordt gekapt in de vorm van ATP [10](#page=10). * **Calorische waarden (bij benadering):** * Koolhydraten en eiwitten: 3-4 kcal/g [10](#page=10). * Lipiden: Ongeveer 3 keer zo hoog als koolhydraten/eiwitten. Dit komt door de meer gereduceerde staat van koolstofatomen in lipiden, wat leidt tot meer reducerende equivalenten bij afbraak [10](#page=10). #### 1.2.10 ATP als energiedrager, niet als opslag ATP is een energiedrager die voortdurend wordt gerecycled; het wordt gesynthetiseerd en direct daarna weer verbruikt. Een rustend persoon verbruikt ongeveer 40 kg ATP per dag, en bij zware inspanning kan dit oplopen tot 0,5 kg/min. Elke ATP-molecule wordt duizenden keren per dag gerecycled [11](#page=11) [12](#page=12). * **ATP-synthese:** * ADP + ADP ⇌ ATP + AMP (gekatalyseerd door adenylaatkinase) [12](#page=12). * ATP wordt voornamelijk gevormd via oxidatieve fosforylatie (bij chemotrofen) of fotofosforylatie (bij fototrofen) [12](#page=12). #### 1.2.11 Stabiliteit van ATP en de redenen voor de actieve rol De stabiliteit van ATP en de energierijke aard van zijn bindingen zijn te wijten aan: 1. **Elektrostatische afstoting:** De sterk negatief geladen fosfaatgroepen stoten elkaar af. Het splitsen van deze binding verlicht deze afstoting, wat energie vrijgeeft [12](#page=12). 2. **Resonantie-stabilisatie:** De reactieproducten (ADP en Pi) hebben meer resonantiestructuren dan ATP zelf, wat resulteert in een stabielere toestand na hydrolyse [13](#page=13). 3. **Wegnemen van H+:** De vrijgekomen H+ wordt opgenomen in het neutrale cellulaire milieu, wat de reactie verder naar rechts drijft [13](#page=13). ### 1.3 Andere energierijke verbindingen Verschillende moleculen hebben een hogere fosforylgroep-transferpotentiaal dan ATP en kunnen ATP genereren uit ADP. #### 1.3.1 Enolfosfaten * **Fosfo-enolpyruvaat (PEP):** De hoge energie-inhoud wordt mede bepaald door de tautomerisatie van de instabiele enolvorm naar de stabielere ketovorm van pyruvaat. $$ \Delta G^{0'} \approx -11 \, \text{kcal/mol} $$ waarbij de tautomerisatie voor ongeveer -8 kcal/mol verantwoordelijk is [14](#page=14). #### 1.3.2 Fosfocarbonzuuranhydriden * **Acetylfosfaat:** Een voorbeeld van een fosfocarbonzuuranhydride met een hoge fosforylgroep-transferpotentiaal. $$ \Delta G^{0'} \approx -10.1 \, \text{kcal/mol} $$ #### 1.3.3 Fosfoguanidinen * **Creatinefosfaat:** Heeft een zeer hoge fosforylgroep-transferpotentiaal. $$ \Delta G^{0'} \approx -10.3 \, \text{kcal/mol} $$ Creatinefosfaat kan ATP genereren uit ADP: $$ \text{Creatinefosfaat} + \text{ADP} \rightleftharpoons \text{Creatine} + \text{ATP} $$ Dit is belangrijk voor kortstondige energievoorziening in spierweefsel [15](#page=15). > **Tip:** Moleculen zoals fosfo-enolpyruvaat, acetylfosfaat en creatinefosfaat hebben een hogere fosforylgroep-transferpotentiaal dan ATP en kunnen dus ATP synthetiseren uit ADP. ### 1.4 De energiestatus van de cel De energiestatus van de cel wordt vaak uitgedrukt als de **energielading**. Deze is proportioneel aan de mol-fractie van ATP plus de helft van de mol-fractie van ADP, omdat ATP twee anhydride bindingen heeft en ADP één [17](#page=17). $$ \text{Energielading} = \frac{[\text{ATP}] + 0.5 \cdot [\text{ADP}]}{[\text{ATP}] + [\text{ADP}] + [\text{AMP}]} $$ --- # Glycolyse en de citroenzuurcyclus Dit deel van het document beschrijft de glycolyse, de afbraak van glucose tot pyruvaat, inclusief de energetische opbrengst en regulatie. Vervolgens wordt de citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) geïntroduceerd als de route voor verdere oxidatie van pyruvaat en de productie van reducerende equivalenten [29](#page=29). ### 2.1 Inleiding tot de glycolyse Glucose is de primaire vorm van koolhydraatreabsorptie en de belangrijkste energiebron voor de hersenen. Deficiënt glucosemetabolisme is gerelateerd aan obesitas en diabetes. De glycolyse wordt door alle lichaamscellen gebruikt om energie te extraheren uit glucose, en deze route is evolutionair oud, resulterend in anaerobe afbraak van glucose tot lactaat. Het is een voorbeeld van anaerobe fermentatie, waarbij chemische energie wordt verkregen in afwezigheid van zuurstof. Voor veel weefsels is de glycolyse een 'emergency' pathway die netto 2 mol ATP per mol glucose genereert. Dit mechanisme is cruciaal voor energievoorziening wanneer zuurstoftoevoer beperkt is, bijvoorbeeld tijdens de bevalling, waarbij hersenen gespaard blijven [30](#page=30) [31](#page=31). #### 2.1.1 Glycolyse in aerobe en anaerobe omstandigheden Indien cellen over mitochondriën beschikken en zuurstof aanwezig is, zal pyruvaat, het eindproduct van glycolyse, de mitochondriën binnengaan voor volledige oxidatie tot CO2 en H2O via de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen. Glycolyse kan dan beschouwd worden als een voorbereiding op aerobe koolhydraatoxidatie. Er wordt significant meer ATP gevormd bij volledige glucoseoxidatie dan bij omzetting naar lactaat. Cellen zonder mitochondriën, zoals erytrocyten, de cornea, lens en delen van de retina, en weefsels met weinig mitochondriën zoals de nier medulla, testis en leukocyten, zijn vrijwel volledig afhankelijk van glycolyse voor ATP-productie [32](#page=32). #### 2.1.2 Locatie en algemene principes van glycolyse Alle reacties van de glycolyse vinden plaats in het cytosol en worden gekatalyseerd door wateroplosbare enzymen. De intermediairen bevatten 6 of 3 koolstofatomen en zijn gefosforyleerd om diffusie uit het cytosol te voorkomen [33](#page=33). #### 2.1.3 Reactietypes in de glycolyse De glycolyse omvat verschillende soorten chemische reacties: * **Fosforyltransfer:** Overdracht van een fosfaatgroep van ATP naar een acceptor, gekatalyseerd door kinases [33](#page=33). * **Fosforyl-shift:** Verplaatsing van een fosfaatgroep [33](#page=33). * **Isomerisatie:** Omzetting van een ketose naar een aldose, of vice versa [33](#page=33). * **Dehydratatie:** Verlies van een watermolecule [34](#page=34). * **Aldolsplitsing:** De omgekeerde reactie van een aldolcondensatie, waarbij een grotere molecule in twee kleinere wordt gesplitst [34](#page=34). ### 2.2 Stappen van de glycolyse #### 2.2.1 Van glucose naar fructose 1,6-bisfosfaat (de investeringsfase) 1. **Fosforylering van glucose:** Glucose wordt bij binnenkomst in de cel onmiddellijk gefosforyleerd door hexokinase, wat het glucose ‘vangt’ binnen de cel en voorkomt dat het terugvloeit. Deze reactie vereist Mg$^{2+}$ als cofactor [34](#page=34). $ \text{Glucose} + \text{ATP} \xrightarrow{\text{hexokinase}} \text{Glucose 6-fosfaat} + \text{ADP} + \text{H}^+ $ [34](#page=34). 2. **Isomerisatie van glucose 6-fosfaat:** Glucose 6-fosfaat wordt omgezet in fructose 6-fosfaat door het enzym fosfoglucose-isomerase [35](#page=35). $ \text{Glucose 6-fosfaat} \xrightarrow{\text{fosfoglucose-isomerase}} \text{Fructose 6-fosfaat} $ [35](#page=35). 3. **Tweede fosforylering:** Fructose 6-fosfaat ondergaat een tweede fosforylering met ATP, gekatalyseerd door fosfofructokinase (PFK), wat leidt tot de vorming van fructose 1,6-bisfosfaat. Deze stap is **irreversibel** en wordt beschouwd als de **‘committed step’** van de glycolyse, omdat het de beslissing markeert om de glycolytische pathway te volgen [35](#page=35) [36](#page=36). $ \text{Fructose 6-fosfaat} + \text{ATP} \xrightarrow{\text{fosfofructokinase}} \text{Fructose 1,6-bisfosfaat} + \text{ADP} $ [35](#page=35). * **Regulatie van fosfofructokinase (PFK):** PFK is het belangrijkste controle-enzym in de glycolytische pathway. Het wordt **allosterisch geïnhibeerd** door hoge concentraties ATP en NADH, en door citraat. Een hoge ATP-concentratie vermindert de affiniteit van PFK voor fructose 6-fosfaat. De **inhibitie wordt opgeheven door AMP**, wat aangeeft dat de enzymactiviteit gereguleerd wordt door de energielading van de cel. Citraat linkt de activiteit van PFK aan die van de Krebs-cyclus en het begin van vetzuursynthese [35](#page=35) [36](#page=36). * **Glucokinase in de lever:** In de lever fosforyleert glucokinase glucose naar glucose 6-fosfaat. Glucokinase heeft een hoge $K_M$ voor glucose, wat betekent dat het effectiever is bij hoge glucoseconcentraties. Dit geeft voorrang aan spier- en hersencellen voor glucoseopname. Hexokinase wordt geïnhibeerd door glucose 6-P, terwijl glucokinase in de lever niet door het product wordt geïnhibeerd [36](#page=36). #### 2.2.2 Van de 6C- naar de 3C-eenheid (de opbrengstfase) 4. **Aldolsplitsing:** Fructose 1,6-bisfosfaat wordt gesplitst in dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde 3-fosfaat door het enzym aldolase [37](#page=37). $ \text{Fructose 1,6-bisfosfaat} \xrightarrow{\text{aldolase}} \text{Dihydroxyacetonfosfaat} + \text{Glyceraldehyde 3-fosfaat} $ [37](#page=37). 5. **Isomerisatie van dihydroxyacetonfosfaat:** Dihydroxyacetonfosfaat wordt omgezet in glyceraldehyde 3-fosfaat door triosefosfaatisomerase. Hierdoor worden er netto twee moleculen glyceraldehyde 3-fosfaat gevormd uit één molecuul fructose 1,6-bisfosfaat. Tot dit punt zijn er 2 ATP-moleculen geïnvesteerd zonder energieopbrengst [37](#page=37). 6. **Oxidatie en fosforylering:** Glyceraldehyde 3-fosfaat wordt geoxideerd tot 1,3-bisfosfoglyceraat door glyceraldehyde 3-fosfaatdehydrogenase (GPD). Hierbij wordt NAD$^+$ gereduceerd tot NADH en wordt een hoogenergetische fosfaatbinding gevormd [37](#page=37) [38](#page=38). $ \text{Glyceraldehyde 3-fosfaat} + \text{NAD}^+ + \text{Pi} \xrightarrow{\text{GPD}} \text{1,3-bisfosfoglyceraat} + \text{NADH} + \text{H}^+ $ [38](#page=38). 7. **Substraatspecifieke fosforylering:** De hoogenergetische fosfaatbinding van 1,3-bisfosfoglyceraat wordt overgedragen aan ADP, wat leidt tot de vorming van ATP. Dit proces wordt gekatalyseerd door fosfoglyceraatkinase [38](#page=38). $ \text{1,3-bisfosfoglyceraat} + \text{ADP} \xrightarrow{\text{fosfoglyceraatkinase}} \text{3-fosfoglyceraat} + \text{ATP} $ [38](#page=38). 8. **Fosforylgroep-verplaatsing:** De fosforylgroep wordt van positie 3 naar positie 2 verplaatst, gekatalyseerd door fosfoglyceromutase [38](#page=38). $ \text{3-fosfoglyceraat} \xrightarrow{\text{fosfoglyceromutase}} \text{2-fosfoglyceraat} $ [38](#page=38). 9. **Dehydratatie:** 2-fosfoglyceraat ondergaat een dehydratatiereactie, gekatalyseerd door enolase, waarbij fosfo-enolpyruvaat wordt gevormd. Dit verhoogt het groeptransferpotentiaal van de fosforylgroep [39](#page=39). $ \text{2-fosfoglyceraat} \xrightarrow{\text{enolase}} \text{Fosfo-enolpyruvaat} + \text{H}_2\text{O} $ [39](#page=39). 10. **Vorming van pyruvaat:** Fosfo-enolpyruvaat doneert zijn hoogenergetische fosfaatgroep aan ADP, wat resulteert in de vorming van ATP en pyruvaat. Deze reactie wordt gekatalyseerd door pyruvaatkinase (PK) [39](#page=39). $ \text{Fosfo-enolpyruvaat} + \text{ADP} \xrightarrow{\text{pyruvaatkinase}} \text{Pyruvaat} + \text{ATP} $ [39](#page=39). * **Regulatie van pyruvaatkinase (PK):** PK is een sleutelenzym dat de glycolyse controleert. Het wordt allosterisch geïnhibeerd door ATP en alanine, en geactiveerd door fructose 1,6-bisfosfaat. De activiteit van de L-vorm (lever) wordt gereguleerd door fosforylering: glucose ↑ → glucagon ↓ → geen fosforylering → actief PK; glucose ↓ → glucagon ↑ → fosforylering → inactief PK [39](#page=39) [40](#page=40). #### 2.2.3 Netto resultaat van de glycolyse De netto reactie voor de omzetting van glucose naar pyruvaat is: $ \text{Glucose} + 2\text{NAD}^+ + 2\text{Pi} + 2\text{ADP} \rightarrow 2\text{NADH} + 2\text{H}^+ + 2\text{H}_2\text{O} + 2\text{ATP} + 2 \text{ Pyruvaat} $ [40](#page=40). Er is dus een nettowinst van 2 moleculen ATP en 2 moleculen NADH [40](#page=40). #### 2.2.4 Klinische correlatie: 18FDG en kankertracering 2-deoxy-2-(18F)fluoro-D-glucose (FDG) is een glucoseanaloog die gebruikt wordt in PET-scans. Omdat FDG niet gemetaboliseerd kan worden via de normale glycolyse, hoopt het zich op in cellen met een hoge glucoseopname, zoals kankercellen. Dit maakt het mogelijk om kankermetastasen te visualiseren [43](#page=43). ### 2.3 De centrale positie van pyruvaat Pyruvaat is een cruciaal intermediair in het metabolisme en kan verschillende metabolische wegen volgen, afhankelijk van de metabole status van de cel [43](#page=43) [44](#page=44). #### 2.3.1 Lot van pyruvaat: ethanol, lactaat of acetyl-CoA * **Naar ethanol (alcoholische fermentatie):** In gist en andere micro-organismen wordt pyruvaat omgezet in ethanol en CO2. Dit proces regeneert NAD$^+$ voor de glycolyse onder anaerobe omstandigheden [44](#page=44). $ \text{Glucose} + 2\text{Pi} + 2\text{ADP} + 2\text{H}^+ \rightarrow 2\text{CO}_2 + 2 \text{ Ethanol} + 2\text{ATP} + 2\text{H}_2\text{O} $ [44](#page=44). * **Lactaatvorming (anaerobe omstandigheden):** In organismen met beperkte zuurstoftoevoer, zoals spierweefsel tijdens intense activiteit, wordt pyruvaat omgezet in lactaat. Dit regenereert ook NAD$^+$ voor de glycolyse [44](#page=44). $ \text{Glucose} + 2\text{Pi} + 2\text{ADP} \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} + 2\text{ATP} + 2 \text{ Lactaat} $ [44](#page=44). Dit is een tijdelijke oplossing om ATP-productie te handhaven totdat oxidatieve condities herstellen (zie Cori-cyclus) [44](#page=44). * **Naar acetyl-CoA:** Onder aerobe omstandigheden wordt pyruvaat omgezet in acetyl-CoA, wat toegang geeft tot de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen voor maximale energieproductie. Dit proces vindt plaats in de mitochondriën [45](#page=45). #### 2.3.2 2,3-Bisfosfoglyceraat (BPG) 2,3-bisfosfoglyceraat is een allostere effector van hemoglobine en ontstaat uit 1,3-bisfosfoglyceraat. Het keert terug naar de glycolysestroom via 3-fosfoglyceraat zonder ATP-productie [45](#page=45). ### 2.4 Gebruik van andere suikers in de glycolyse #### 2.4.1 Fructose Fructose, aanwezig in groenten en fruit, wordt in de lever gemetaboliseerd via de fructose 1-fosfaat pathway. Fructose 1-fosfaat wordt gesplitst in dihydroxyacetonfosfaat en glyceraldehyde, waarna glyceraldehyde wordt gefosforyleerd tot glyceraldehyde 3-fosfaat en de glycolyse ingaat. Hexokinase kan fructose ook fosforyleren tot fructose 6-fosfaat, maar met lagere affiniteit dan voor glucose [45](#page=45) [46](#page=46). * **Klinische correlatie: Fructose-intolerantie:** Een genetisch defect in de fructose 1-fosfaat pathway kan leiden tot fructose-intolerantie [45](#page=45). * **Intermezzo: Alcoholkater en honing:** De omzetting van ethanol in de lever verbruikt NAD$^+$, wat de glycolyse kan belemmeren en bijdraagt aan een alcoholkater. Honing, rijk aan fructose, kan glyceraldehyde vormen die wordt gereduceerd tot glycerol, waarbij NAD$^+$ wordt gegenereerd, wat mogelijk een alcoholkater kan tegengaan [46](#page=46). #### 2.4.2 Galactose Galactose, afkomstig van lactose (melksuiker), wordt in vier stappen omgezet in glucose 6-fosfaat [47](#page=47) [48](#page=48). 1. Fosforylering van galactose tot galactose 1-P [47](#page=47). 2. Koppeling van galactose 1-P aan UDP (afkomstig van UDP-glucose) [47](#page=47). 3. Epimerisatie van UDP-galactose naar UDP-glucose [47](#page=47). 4. Isomerisatie van glucose 1-P naar glucose 6-P [48](#page=48). * **Klinische correlatie: Galactosemie:** Deficiëntie van het enzym UDP-glucose: galactose 1-fosfaat-uridyltransferase leidt tot galactosemie, waarbij toxische galactosederivaten zich ophopen en hersenbeschadiging, cataract en mentale retardatie veroorzaken [48](#page=48). ### 3. De Krebs-cyclus of citroenzuurcyclus #### 3.1 Inleiding tot de Krebs-cyclus De Krebs-cyclus volgt op de glycolyse en is een reeks cyclische reacties die voornamelijk reducerende equivalenten (NADH en FADH$_2$) produceren. De cyclus vindt plaats in de mitochondriële matrix [49](#page=49) [50](#page=50). #### 3.1.1 De stappen van de citroenzuurcyclus De cyclus begint met de omzetting van pyruvaat tot acetyl-CoA: 1. **Oxidatieve decarboxylering van pyruvaat:** Pyruvaat wordt omgezet in acetyl-CoA, waarbij CO$_2$ en NADH vrijkomen. Dit is een **irreversibele** stap, gekatalyseerd door het pyruvaatdehydrogenase-complex, en wordt beschouwd als een **‘committed step’** voor de cyclus [50](#page=50). $ \text{Pyruvaat} + \text{HS-CoA} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Acetyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $ [50](#page=50). 2. **Vorming van citraat:** Acetyl-CoA (2 C-atomen) condenseert met oxaalacetaat (4 C-atomen) om citraat (6 C-atomen) te vormen. Deze reactie wordt gekatalyseerd door citraatsynthase en is **irreversibel** [50](#page=50) [51](#page=51). $ \text{Acetyl-CoA} + \text{Oxaalacetaat} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{citraatsynthase}} \text{Citraat} + \text{HS-CoA} $ [51](#page=51). 3. **Isomerisatie van citraat:** Citraat wordt omgezet in isocitraat via dehydratatie en hydratatie, gekatalyseerd door aconitase [51](#page=51) [52](#page=52). $ \text{Citraat} \xrightarrow{\text{aconitase}} \text{Isocitraat} $ [52](#page=52). 4. **Oxidatieve decarboxylering van isocitraat:** Isocitraat wordt geoxideerd tot $\alpha$-ketoglutaraat, waarbij CO$_2$ en NADH worden geproduceerd. Gekatalyseerd door isocitraatdehydrogenase [52](#page=52). $ \text{Isocitraat} + \text{NAD}^+ \rightarrow \alpha\text{-Ketoglutaraat} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $ [52](#page=52). 5. **Oxidatieve decarboxylering van $\alpha$-ketoglutaraat:** $\alpha$-ketoglutaraat wordt omgezet in succinyl-CoA, met productie van CO$_2$ en NADH. Gekatalyseerd door het $\alpha$-ketoglutaraatdehydrogenase-complex [52](#page=52) [53](#page=53). $ \alpha\text{-Ketoglutaraat} + \text{NAD}^+ + \text{HS-CoA} \rightarrow \text{Succinyl-CoA} + \text{CO}_2 + \text{NADH} + \text{H}^+ $ [53](#page=53). 6. **Vorming van GTP:** De hoogenergetische thio-esterbinding van succinyl-CoA wordt gebruikt om GTP te vormen uit GDP. Gekatalyseerd door succinyl-CoA-synthetase. Dit is de enige stap in de cyclus waarin een hoogenergetische fosfaatbinding wordt gegenereerd [53](#page=53). $ \text{Succinyl-CoA} + \text{GDP} + \text{Pi} \rightarrow \text{Succinaat} + \text{GTP} + \text{HS-CoA} $ [53](#page=53). 7. **Vorming van fumaraat:** Succinaat wordt geoxideerd tot fumaraat, met reductie van FAD tot FADH$_2$. Gekatalyseerd door succinaatdehydrogenase, dat deel uitmaakt van het binnenste mitochondriale membraan [54](#page=54). $ \text{Succinaat} + \text{FAD} \rightarrow \text{Fumaraat} + \text{FADH}_2 $ [54](#page=54). 8. **Hydratatie van fumaraat:** Fumaraat wordt gehydrateerd tot malaat, gekatalyseerd door fumarase [54](#page=54). $ \text{Fumaraat} + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{fumarase}} \text{Malaat} $ [54](#page=54). 9. **Oxidatie van malaat:** Malaat wordt geoxideerd tot oxaalacetaat, met productie van NADH. Gekatalyseerd door malaatdehydrogenase [54](#page=54). $ \text{Malaat} + \text{NAD}^+ \rightarrow \text{Oxaalacetaat} + \text{NADH} + \text{H}^+ $ [54](#page=54). #### 3.1.2 De balans van de citroenzuurcyclus Voor één cyclus (uitgaande van één acetyl-CoA, dus een halve glucosemolecule): * **Verbruikt:** 1 Acetyl-CoA, 3 NAD$^+$, 1 FAD, 1 GDP, 1 Pi, 2 H$_2$O [55](#page=55). * **Geproduceerd:** 2 CO$_2$, 3 NADH, 1 FADH$_2$, 1 GTP, 2 H$^+$ [55](#page=55). Rekening houdend met de omzetting van pyruvaat naar acetyl-CoA (voor 1 glucosemolecule): * **Totaal per glucose (via 2 pyruvaten):** 6 CO$_2$, 8 NADH, 2 FADH$_2$, 2 GTP [55](#page=55). $ \text{Pyruvaat} + 4 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ H}_2\text{O} + \text{GDP} + \text{Pi} + \text{FAD} \rightarrow 3 \text{ CO}_2 + 2 \text{ H}^+ + 4 \text{ NADH} + \text{FADH}_2 + \text{GTP} $ [55](#page=55). De NADH en FADH$_2$ worden verder geoxideerd in de elektronentransportketen, wat leidt tot de productie van ATP (ongeveer 3 ATP per NADH, 2 ATP per FADH$_2$). Hoewel O$_2$ niet direct deelneemt, is de cyclus afhankelijk van aerobe condities voor de regeneratie van NAD$^+$ en FAD [57](#page=57). #### 3.1.3 De citroenzuurcyclus als bron voor biosynthetische precursoren De cyclus levert intermediairen voor biosynthese, zoals $\alpha$-ketoglutaraat en oxaalacetaat (voor aminozuren) en succinyl-CoA (voor porfyrinen) [57](#page=57). * **Anaplerotische reacties (opvulreacties):** Om het stilvallen van de cyclus door het verwijderen van intermediairen te voorkomen, worden deze aangevuld door anaplerotische reacties: 1. Oxaalacetaat uit aspartaat door transaminering [57](#page=57). 2. Oxaalacetaat uit pyruvaat door carboxylering met biotine en ATP (gecatalliseerd door pyruvaatcarboxylase) [58](#page=58). 3. Oxaalacetaat uit een carboxyleringsreactie (biotine-afhankelijk) en NADPH-afhankelijke reductie tot malaat (gecatalliseerd door het malaatenzym) [59](#page=59). #### 3.1.4 Controle in de Krebs-cyclus De regulatie vindt plaats op verschillende sleutelpunten: 1. **Pyruvaatdehydrogenase-complex:** Geïnhibeerd door producten acetyl-CoA en NADH; versterkt door ATP [59](#page=59). 2. **Citraatsynthase:** Geïnhibeerd door ATP (verhoogt $K_M$ voor acetyl-CoA); stimulatie door beschikbaarheid van NAD$^+$ en FAD signaleert lage cel-energielading [59](#page=59). 3. **Isocitraatdehydrogenase:** Allosterisch geïnhibeerd door ATP; gestimuleerd door ADP (verhoogt affiniteit voor substraten); NADH inhibeert [59](#page=59). 4. **$\alpha$-Ketoglutaraatdehydrogenase-complex:** Lijkt op pyruvaatdehydrogenase-complex; geïnhibeerd door reactieproducten succinyl-CoA en NADH, en door GTP [60](#page=60). #### 3.1.5 De glyoxylaatcyclus Bij planten en bacteriën omzeilt de glyoxylaatcyclus de twee oxidatieve decarboxyleringsstappen van de Krebs-cyclus, waardoor succinaat wordt geproduceerd. Het succinaat verlaat de cyclus, en een tweede acetyl-CoA wordt in de cyclus gebracht. Dit maakt het mogelijk voor planten om vetzuren om te zetten in glucose. De glyoxylaatcyclus vindt plaats in glyoxysomen [60](#page=60) [61](#page=61). #### 3.1.6 Lokalisatie van de Krebs-cyclus De meeste enzymen en moleculen van de citroenzuurcyclus zijn wateroplosbaar en bevinden zich in de matrix van de mitochondriën. Het succinaatdehydrogenase-complex is echter gelokaliseerd in het binnenste mitochondriale membraan [61](#page=61) [62](#page=62). --- # Oxidatieve fosforylering en elektronentransport Oxidatieve fosforylering is het proces waarbij de energie die vrijkomt bij de elektronenoverdracht langs de elektronentransportketen wordt gebruikt om ATP te synthetiseren [65](#page=65) [88](#page=88). ### 3.1 Inleiding tot redoxreacties en reductiepotentialen Oxidatie-reductiereacties (redoxreacties) omvatten de overdracht van elektronen van een elektronendonor (reductans) naar een elektronenacceptor (oxidans). De neiging van een atoom, ion of molecuul om elektronen op te nemen wordt de reductiepotentiaal genoemd, gemeten in volt (E). De standaard reductiepotentiaal ($E_0$) wordt bepaald bij pH 0, terwijl de standaard biologische reductiepotentiaal ($E_0'$) wordt bepaald bij pH 7 (oftewel een $[H^+]$ van $10^{-7}$ M). De $E_0'$ waarde van de reactie $H^+ + e^- \rightarrow H$ is -0,42 V bij pH 7. Een hogere (minder negatieve) $E_0'$ waarde duidt op een grotere affiniteit voor elektronen, terwijl een lagere (meer negatieve) $E_0'$ waarde duidt op een grotere neiging om elektronen af te staan. Elektronen stromen spontaan van een lagere naar een hogere reductiepotentiaal [63](#page=63) [64](#page=64) [85](#page=85) [86](#page=86). De totale potentiaalverandering ($\Delta E_0'$) van een redoxreactie is de som van de reductiepotentialen van de individuele oxidatie- en reductiestappen. Deze $\Delta E_0'$ is direct gerelateerd aan de standaard vrije-energieverandering ($\Delta G_0'$) via de formule [64](#page=64) [86](#page=86): $$ \Delta G_0' = -n \cdot F \cdot \Delta E_0' $$ waarbij $n$ het aantal getransfereerde elektronen is en $F$ de Faraday-constante (23,06 kcal·mol⁻¹·V⁻¹). Een positieve $\Delta E_0'$ resulteert in een negatieve $\Delta G_0'$, wat duidt op een spontane reactie [65](#page=65) [87](#page=87). **Voorbeeld:** De oxidatie van NADH door $O_2$ heeft een $\Delta E_0'$ van 1,14 V, wat overeenkomt met een $\Delta G_0'$ van -52,58 kcal/mol [65](#page=65) [87](#page=87). ### 3.2 Definitie en situering van oxidatieve fosforylering Oxidatieve fosforylering is het proces waarbij energierijke elektronen, afkomstig van NADH en FADH$_2$ (gevormd tijdens glycolyse, citroenzuurcyclus en vetzuuroxidatie), via de elektronentransportketen (ETK) worden overgedragen op zuurstof ($O_2$). De vrijkomende energie wordt gebruikt om ADP te fosforyleren tot ATP. Dit is de voornaamste energiebron voor aerobe organismen. De oxidatieve fosforylering vindt plaats op het binnenste membraan van de mitochondriën [65](#page=65) [66](#page=66) [88](#page=88). Bij de elektrontransfer van NADH of FADH$_2$ naar $O_2$ worden protonen ($H^+$) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte gepompt. Dit creëert een elektrochemische gradiënt die de energie levert voor ATP-synthese. De typische stoichiometrie is [66](#page=66) [88](#page=88): * 1 NADH-oxidatie $\rightarrow$ 3 ATP * 1 FADH$_2$-oxidatie $\rightarrow$ 2 ATP ### 3.3 De respiratorische keten De respiratorische keten (ETK) is een reeks eiwitcomplexen ingebed in het binnenste mitochondriale membraan, die verantwoordelijk zijn voor de stapsgewijze overdracht van elektronen. De belangrijkste componenten zijn [66](#page=66) [88](#page=88): 1. **Flavine-gekoppelde dehydrogenasen:** Deze bevatten flavine-nucleotiden (zoals FMN of FAD) als prosthetische groepen [67](#page=67) [89](#page=89). 2. **IJzer-zwavel (Fe-S) eiwitten:** Deze bevatten ijzer-zwavel clusters die wisselen tussen Fe$^{3+}$ en Fe$^{2+}$ toestanden [67](#page=67) [89](#page=89). 3. **Cytochromen:** Deze eiwitten bevatten een heemgroep met een ijzeratoom dat tussen Fe$^{2+}$ en Fe$^{3+}$ kan wisselen [70](#page=70) [92](#page=92). De ETK bestaat uit drie hoofdcomplexen die de elektronen doorgeven en protonen over het membraan pompen [66](#page=66) [88](#page=88). #### 3.3.1 Het NADH-dehydrogenase complex (Complex I) Dit is het grootste complex en transporteert twee elektronen en twee protonen van NADH naar FMN. Het FMN draagt de elektronen één voor één over aan de Fe-S centra. FMN kan als stabiel semiquinon voorkomen. De reactie is [67](#page=67) [68](#page=68) [89](#page=89) [90](#page=90): $$ NADH + H^+ + FMN \rightarrow NAD^+ + FMNH_2 $$ $$ FMNH_2 + \text{Fe-S} \rightarrow FMN + 2H^+ + \text{Fe-S} $$ #### 3.3.2 Ubichinon (Co-enzym Q) Ubichinon (CoQ) is een kleine, lipofiele molecule die fungeert als een mobiele elektronendrager tussen complex I, complex II (niet expliciet beschreven in deze sectie, maar is de locatie van succinaatdehydrogenase) en complex III. Het ontvangt elektronen van complex I (NADH dehydrogenase) en van FADH$_2$ gegenereerd door andere enzymen zoals succinaatdehydrogenase, acyl-CoA dehydrogenase en glycerol-3-fosfaat dehydrogenase. CoQ wordt gereduceerd tot CoQH$_2$ [68](#page=68) [90](#page=90). #### 3.3.3 Het cytochroom reductase complex (Complex III) Dit complex, ook wel het b-c1-complex genoemd, neemt elektronen op van CoQH$_2$ en draagt ze over aan cytochroom c. Het bevat drie heemgroepen en een Fe-S eiwit. Protonen worden hierbij ook getransloceerd. De reacties omvatten [68](#page=68) [69](#page=69) [90](#page=90) [91](#page=91): $$ CoQH_2 + 2 \text{cyt b} (Fe^{3+}) \rightarrow CoQ + 2H^+ + 2 \text{cyt b} (Fe^{2+}) $$ $$ 2 \text{cyt b} (Fe^{2+}) + 2 \text{cyt c}_1 (Fe^{3+}) \rightarrow 2 \text{cyt b} (Fe^{3+}) + 2 \text{cyt c}_1 (Fe^{2+}) $$ #### 3.3.4 Cytochroom c Cytochroom c is een klein, wateroplosbaar perifeer membraaneiwit dat elektronen transporteert van complex III naar complex IV. Het bevat een covalent gebonden heemgroep. De reactie is [69](#page=69) [91](#page=91): $$ 2 \text{cyt c}_1 (Fe^{2+}) + 2 \text{cyt c} (Fe^{3+}) \rightarrow 2 \text{cyt c}_1 (Fe^{3+}) + 2 \text{cyt c} (Fe^{2+}) $$ #### 3.3.5 Het cytochroom oxidase complex (Complex IV) Dit complex, ook wel cytochroom a-a3 genoemd, is het laatste complex in de keten. Het accepteert elektronen van cytochroom c en brengt ze over aan zuurstof ($O_2$), waarbij water wordt gevormd. Dit complex is verantwoordelijk voor ongeveer 90% van de $O_2$-opname in de cel. Cyaniden en aziden remmen dit complex sterk [69](#page=69) [91](#page=91). $$ 2 \text{cyt c} (Fe^{2+}) + 2 \text{cyt a} (Fe^{3+}) \rightarrow 2 \text{cyt c} (Fe^{3+}) + 2 \text{cyt a} (Fe^{2+}) $$ $$ 2 \text{cyt a}_3 (Fe^{2+}) + \frac{1}{2} O_2 + 2H^+ \rightarrow 2 \text{cyt a}_3 (Fe^{3+}) + H_2O $$ **Samenvatting van de elektronenstroom:** NADH $\rightarrow$ FMN $\rightarrow$ Fe-S centra $\rightarrow$ Ubichinon (CoQ) $\rightarrow$ Cytochroom b-c1 complex $\rightarrow$ Cytochroom c $\rightarrow$ Cytochroom a-a3 complex $\rightarrow$ $O_2$ [70](#page=70) [92](#page=92). De totale reactie is: $$ NADH + H^+ + \frac{1}{2} O_2 \rightarrow NAD^+ + H_2O $$ **Inhibitie van de respiratorische keten:** * Rotenon en amytal blokkeren de elektronenoverdracht naar CoQ (Complex I) [71](#page=71) [93](#page=93). * Antimycine A blokkeert de transfer naar cytochroom c (tussen Complex III en cytochroom c) [71](#page=71) [93](#page=93). * Cyanide, azide en CO blokkeren het cytochroomoxidase complex (Complex IV) [71](#page=71) [93](#page=93). #### 3.3.6 Vorming van reactieve zuurstofspecies Tijdens de elektrontransfer kunnen partieel gereduceerde zuurstofspecies ontstaan, zoals superoxide-anion ($O_2^-$), peroxide-anion ($O_2^{2-}$), waterstofperoxide ($H_2O_2$) en hydroxylradicalen ($OH\cdot$). Het cytochroom oxidase complex verzamelt elektronen in groepen van vier om direct $H_2O$ te vormen, wat de vorming van deze schadelijke intermediairen minimaliseert [70](#page=70) [92](#page=92). De reactie voor superoxide vorming is: $$ O_2 + e^- \rightarrow O_2^- $$ Superoxide wordt geneutraliseerd door superoxidedismutase. Waterstofperoxide wordt verder afgebroken door katalase of peroxidases [72](#page=72) [73](#page=73) [94](#page=94) [95](#page=95). ### 3.4 Elektrontransport en protonendislocatie De passage van elektronen door de ETK gaat gepaard met het pompen van protonen ($H^+$) vanuit de mitochondriale matrix naar de intermembranaire ruimte. Ongeveer zes protonen worden getransloceerd per NADH-molecule (twee elektronen). Dit gebeurt bij [73](#page=73) [95](#page=95): 1. Het NADH-dehydrogenase complex (Complex I) [73](#page=73) [95](#page=95). 2. Het CoQ-cyclus binnen Complex III [73](#page=73) [95](#page=95). 3. Het cytochroom c-oxidase complex (Complex IV) [73](#page=73) [95](#page=95). Naast de protonen die in de reactie met zuurstof worden opgenomen om water te vormen, worden ook protonen getransloceerd. Per geoxideerde NADH worden ongeveer 4 protonen uit de matrix verwijderd [73](#page=73) [95](#page=95). Deze protonenverplaatsing creëert een **elektrochemische protonengradiënt** over het binnenste mitochondriale membraan, bestaande uit: * **pH-gradiënt:** De matrix heeft een hogere pH (minder $H^+$) dan de intermembranaire ruimte (hogere pH) [74](#page=74) [96](#page=96). * **Membraanpotentiaal ($\Delta V$):** De intermembranaire ruimte is positief geladen ten opzichte van de matrix [74](#page=74) [96](#page=96). De totale protonendrijvende kracht ($\Delta p$) is de som van deze twee gradiënten. Deze energie wordt gebruikt voor ATP-synthese en transport van metabolieten en ionen [74](#page=74) [75](#page=75) [96](#page=96) [97](#page=97). ### 3.5 ATP-synthese door een protonenstroom (Chemiosmotische Theorie) Het enzym **ATP-synthase** katalyseert de synthese van ATP uit ADP en anorganisch fosfaat (Pi). Het complex bestaat uit twee hoofdcomponenten [75](#page=75) [97](#page=97): * **F$_0$:** Het integraal membraan-deel, dat fungeert als een protonenkanaal [75](#page=75) [97](#page=97). * **F$_1$:** Het perifere membraan-deel, dat de katalytische activiteit voor ATP-synthese bevat [75](#page=75) [97](#page=97). Het ATP-synthase complex is opgebouwd uit meerdere subeenheden (F$_1$: $\alpha_3\beta_3\gamma\delta\epsilon$; F$_0$: $a_1b_2c_{9-12}$). De kern van het enzym bevat een roterende eenheid (c-ring, $\gamma$, $\epsilon$) en een stationaire eenheid (stator: $\alpha_3, \beta_3$, b$_2$, $\delta$, a) [76](#page=76) [98](#page=98). Volgens het **Boyer-model** drijft de protonenstroom door F$_0$ de rotatie van de c-ring en de daaraan gekoppelde $\gamma$-keten. De asymmetrische $\gamma$-keten interageert met de $\alpha/\beta$-subeenheden van F$_1$, waardoor de actieve centra cyclisch veranderen tussen drie conformaties: Open (O), Loose (L) en Tight (T) [77](#page=77) [99](#page=99). * **L-vorm:** Bindt ADP en Pi met lage affiniteit. * **T-vorm:** Bindt ADP en Pi met hoge affiniteit en faciliteert de vorming van ATP. * **O-vorm:** Houdt geen substraat vast en faciliteert de afgifte van ATP. De energie van de protonenstroom wordt gebruikt om deze conformatieveranderingen te bewerkstelligen, wat leidt tot de vorming en afgifte van ATP [77](#page=77) [99](#page=99). ### 3.6 Ontkoppeling van oxidatie en protonengradiënt Ontkoppelaars, zoals 2,4-dinitrofenol (DNP), zijn hydrofobe zwakke zuren die de protonengradiënt over het binnenste membraan doorbreken. Ze kunnen protonen opnemen aan de ene zijde van het membraan en ze aan de andere zijde weer afstaan, waardoor de protonenstroom direct door het membraan plaatsvindt in plaats van via ATP-synthase [77](#page=77) [99](#page=99). * **Effect:** Elektronentransport blijft doorgaan, maar ATP-synthese stopt. De zuurstofconsumptie stijgt. De vrijkomende energie wordt omgezet in warmte [100](#page=100) [78](#page=78). * **Thermogenine:** Dit is een ontkoppelingseiwit in bruin vetweefsel dat speciaal is ontworpen voor warmteproductie (thermogenese). Het creëert een "kortsluiting" van de mitochondriale batterij. UCP-1, UCP-2 en UCP-3 zijn bekende ontkoppelingseiwitten [100](#page=100) [78](#page=78). ### 3.7 Controle van de respiratoire keten De snelheid van het elektronentransport wordt beïnvloed door de grootte van de elektrochemische protonengradiënt. Een hogere gradiënt vertraagt het transport, terwijl een lagere gradiënt het versnelt. De controle op de oxidatieve fosforylering is direct gekoppeld aan de vraag naar ATP. Een hoge concentratie van ADP stimuleert de ATP-synthese, wat leidt tot meer protonenflux door ATP-synthase, sneller elektronentransport en verhoogde oxidatie in de citroenzuurcyclus. Dit fenomeen wordt **respiratoire controle** genoemd. De belangrijkste controlemoleculen zijn NADH, $O_2$, ADP en Pi [100](#page=100) [78](#page=78) [79](#page=79). ### 3.8 Binnenkomen van NADH- en FADH$_2$-elektronen in de respiratorische keten * **Mitochondriaal NADH:** Elektronen van mitochondrieel NADH (afkomstig van pyruvaat, citraat, $\alpha$-ketoglutaraat, malaat, $\beta$-hydroxybutyraat) komen binnen via het NADH-dehydrogenase complex (Complex I) [79](#page=79). * **FADH$_2$:** Elektronen van FADH$_2$ (afkomstig van succinaat, acyl-CoA, glycerol-3-fosfaat) treden de keten binnen via het succinaatdehydrogenase (Complex II) en dragen bij aan het ubiquinon (CoQ). Dit resulteert in de vorming van 2 ATP in plaats van 3 ATP, omdat een protonenpomp (Complex I) wordt overgeslagen [79](#page=79). **Cytoplasmatisch NADH:** Het binnenste mitochondriale membraan is ondoorlaatbaar voor NADH en NAD$^+$. Elektronen van cytoplasmatisch NADH moeten via pendelsystemen de mitochondriën binnendringen: * **Glycerol-3-fosfaat shuttle:** Cytoplasmatisch NADH reduceert dihydroxyacetonfosfaat tot glycerol-3-fosfaat. Het mitochondriale glycerol-3-fosfaat dehydrogenase oxideert glycerol-3-fosfaat, waarbij de elektronen op FAD worden overgedragen en vervolgens naar CoQ gaan. Dit leidt tot de vorming van 2 ATP per cytoplasmatisch NADH [80](#page=80). * **Malaat-aspartaat shuttle:** In hart en lever. Cytoplasmatisch NADH reduceert oxaalacetaat tot malaat. Malaat transporteert de elektronen naar de matrix, waar het weer wordt geoxideerd tot oxaalacetaat. Oxaalacetaat wordt vervolgens omgezet in aspartaat via transaminatie, wat terug naar het cytosol wordt getransporteerd. Dit systeem reconverteert cytoplasmatisch NADH naar mitochondrieel NADH, wat de vorming van 3 ATP per NADH mogelijk maakt (mits de NADH/NAD$^+$-verhouding gunstig is) [80](#page=80). ### 3.9 De eindbalans van glucose-oxidatie De volledige oxidatie van glucose levert een $\Delta G_0'$ van -686 kcal/mol. Met een opbrengst van circa 36 ATP-moleculen (circa 38 in hart en lever) en een energie per ATP van ongeveer 7,3 kcal/mol, bedraagt het thermodynamische rendement van ATP-vorming uit glucose ongeveer 38% [81](#page=81). ### 3.10 Het ATP/ADP-translocase ATP en ADP kunnen niet vrij door het binnenste mitochondriale membraan diffunderen. Het **ATP/ADP-translocase** (adenine-nucleotide translocator) faciliteert de uitwisseling: $$ ADP_c^{3-} + ATP_m^{4-} \rightleftharpoons ATP_c^{4-} + ADP_m^{3-} $$ Deze uitwisseling wordt gedreven door de membraanpotentiaal. De hogere negatieve lading van ATP (4-) ten opzichte van ADP (3-) zorgt ervoor dat ATP met een hogere efficiëntie naar de meer positief geladen cytosolsche zijde wordt getransporteerd. Ongeveer 25% van de energie uit de respiratoire keten wordt gebruikt voor dit transport. Voor elke 4 protonen die naar buiten worden gepompt, worden 3 gebruikt voor ATP-synthese en 1 voor ATP-export [81](#page=81) [82](#page=82). ### 3.11 Transportsystemen voor ionen en metabolieten Het binnenste mitochondriale membraan bevat specifieke carriers/transporters voor substraten, intermediairen en nucleotiden, waaronder het ATP/ADP-translocase. Een fosfaat-transporter brengt fosfaat naar de matrix in ruil voor OH$^-$-ionen. Mitochondriën kunnen ook calciumionen ($Ca^{2+}$) accumuleren ten koste van de elektrochemische gradiënt [82](#page=82) [84](#page=84). ### 3.12 Cytochroom P450 Cytochroom P450, aanwezig in mitochondriën en microsomen, maakt geen ATP aan. Het is betrokken bij hydroxylatiereacties die substraten meer wateroplosbaar maken voor uitscheiding, zoals bij de metabolisering van steroïden, medicijnen en vetzuren. NADPH fungeert als elektronenbron voor deze keten [84](#page=84). --- # Metabolisme van andere biomoleculen Hier is een gedetailleerde studiehandleiding voor het metabolisme van andere biomoleculen, gebaseerd op de verstrekte documentatie. ## 4 Metabolisme van andere biomoleculen Dit hoofdstuk bespreekt de metabolisme van pentosefosfaten, aminozuren, nucleotiden en lipiden, inclusief hun synthese, afbraak, regulatie en klinische correlaties . ### 4.1 De pentosefosfaatroute (fosfogluconaatweg) De pentosefosfaatroute loopt parallel met glycolyse en de Krebs-cyclus en is de primaire route voor de generatie van NADPH, dat essentieel is voor reductieve biosynthetische reacties. NADPH verschilt van NADH door een extra fosfaatgroep op C-2 van de adenosylgroep, terwijl het chemisch actieve deel identiek is. De enzymen zijn gelokaliseerd in het cytosol . #### 4.1.1 Reacties van de pentosefosfaatroute De route start met de dehydrogenatie van glucose 6-fosfaat op C-1, gekatalyseerd door glucose 6-fosfaatdehydrogenase, wat leidt tot een δ-lacton. Dit hydrolyseert tot 6-fosfogluconaat, dat vervolgens oxidatief wordt gedecarboxyleerd tot ribulose 5-fosfaat . * **Oxidatieve tak:** * Glucose 6-fosfaat + NADP$^+$ $\rightarrow$ 6-fosfogluconolacton + NADPH + H$^+$ . * 6-fosfogluconolacton + H$_2$O $\rightarrow$ 6-fosfogluconaat + H$^+$ . * 6-fosfogluconaat + NADP$^+$ $\rightarrow$ Ribulose 5-fosfaat + CO$_2$ + NADPH + H$^+$ . * Ribulose 5-fosfaat $\rightleftharpoons$ Ribose 5-fosfaat (isomerisatie) . * Ribulose 5-fosfaat $\rightleftharpoons$ Xylulose 5-fosfaat (epimerisatie) . Deze reacties genereren 2 moleculen NADPH per omgezet glucose 6-fosfaat . * **Niet-oxidatieve tak:** Deze tak omvat suikerherrangschikkingen via transketolase- en transaldolasekatalyse, die ribose 5-fosfaat omzetten in glyceraldehyde 3-fosfaat en fructose 6-fosfaat. Dit creëert een link met glycolyse via gemeenschappelijke intermediairen . * Transketolase: Ketonen kunnen C2-eenheden overdragen . * Transaldolase: Aldehyden kunnen C3-eenheden overdragen . De som van deze reacties kan zijn: Ribose 5-P + 2 Xylulose 5-P $\rightarrow$ 2 Fructose 6-P + Glyceraldehyde 3-P . #### 4.1.2 Controle van de pentosefosfaatroute De controle vindt plaats bij de quasi-irreversibele eerste reactie, glucose 6-P $\rightarrow$ 6-P gluconolacton, gekatalyseerd door glucose 6-fosfaatdehydrogenase. NADP$^+$ concurreert met NADPH voor binding op het dehydrogenase. De stroom van glucose 6-fosfaat is afhankelijk van de behoefte aan NADPH, ribose 5-fosfaat en ATP . * **Meer ribose 5-fosfaat nodig dan NADPH:** Glucose 6-fosfaat wordt via glycolyse omgezet in fructose 6-fosfaat en glyceraldehyde 3-fosfaat. Transaldolase en transketolase zetten dit om in ribose 5-fosfaat . * **Vraag naar ribose 5-fosfaat en NADPH is gelijk:** Glucose 6-P + 2NADP$^+$ + H$_2$O $\rightarrow$ Ribose 5-P + 2NADPH + CO$_2$ . * **Vraag naar NADPH is veel hoger dan naar ribose 5-fosfaat:** Dit verloopt via de oxidatieve tak met daaropvolgende omzetting van ribose 5-P via glycolyse . De route is laag actief in spiercellen, maar hoog in adiposecellen (voor vetzuursynthese) en erytrocyten (voor NADPH-productie voor gereduceerd glutathion). Ook actief in lever, melkklieren, testes en bijniercortex . #### 4.1.3 Glucose 6-fosfaatdehydrogenase-deficiëntie Dit is een veelvoorkomende genetische afwijking, met name bij de erytrocyt-isovorm. NADPH is nodig voor de reductie van gereduceerd glutathion, wat erytrocyten beschermt tegen oxidatieve stress en vrije radicalen . * **Klinische correlatie:** G6PDH-deficiëntie kan leiden tot massieve hemolytische anemie, vooral bij blootstelling aan antimalariamiddelen die het gereduceerd glutathion verminderen. Erytrocyten kunnen het enzym niet opnieuw synthetiseren en zijn hierdoor zeer gevoelig voor oxidatieve stress. Peroxide accumuleert, leidt tot hemoglobinedenaturatie (Heinz-lichaampjes) en hemolyse wanneer de cellen door de milt passeren . > **Tip:** G6PDH-deficiëntie beschermt dragers tegen malaria, vergelijkbaar met sikkelcelanemie . ### 4.2 Gluconeogenese (glucose-nieuwsynthese) Gluconeogenese is de novo synthese van glucose uit niet-koolhydraatprecursoren zoals aminozuren, lactaat en pyruvaat. De lever en niercortex zijn de belangrijkste plaatsen voor gluconeogenese. Het is niet het omgekeerde van glycolyse, hoewel omkeerbare reacties uit glycolyse worden gebruikt . #### 4.2.1 Reacties van de gluconeogenese De drie irreversibele stappen van glycolyse worden omzeild . 1. **Pyruvaat $\rightarrow$ fosfo-enolpyruvaat:** Pyruvaat wordt eerst omgezet in oxaalacetaat door pyruvaatcarboxylase (mitochondriaal). Oxaalacetaat wordt gereduceerd tot malaat en getransporteerd naar het cytosol, waar het weer tot oxaalacetaat wordt geoxideerd door cytosolisch NAD$^+$-malaatdehydrogenase. Dit wordt vervolgens door fosfo-enolpyruvaatcarboxykinase gedecarboxyleerd en gefosforyleerd tot fosfo-enolpyruvaat . 2. **Fructose 1,6-bisfosfaat $\rightarrow$ fructose 6-fosfaat:** Gekatalyseerd door fructose 1,6-bisfosfatase . $$ \text{fructose } 1,6\text{-bisfosfaat} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{fructose } 6\text{-fosfaat} + \text{Pi} $$ 3. **Glucose 6-fosfaat $\rightarrow$ glucose:** Gekatalyseerd door glucose 6-fosfatase, in het lumen van het ER . Gluconeogenese vereist vier nieuwe enzymen: pyruvaatcarboxylase, fosfo-enolpyruvaatcarboxykinase, fructose 1,6-bisfosfatase, en glucose 6-fosfatase. De netto reactie is : $$ 2 \text{ pyruvaat} + 4 \text{ ATP} + 2 \text{ GTP} + 2 \text{ NADH} + 6 \text{ H}_2\text{O} \rightarrow \text{glucose} + 4 \text{ ADP} + 2 \text{ GDP} + 6 \text{ Pi} + 2 \text{ NAD}^+ + 2 \text{ H}^+ $$ Dit kost zes hoogenergetische fosfaatbindingen . #### 4.2.2 Regeling van glycolyse en gluconeogenese Deze twee wegen zijn zodanig geregeld dat ze niet gelijktijdig actief zijn om energieverspilling te voorkomen. Het controlepunt ligt bij de fructose 6-fosfaat $\leftrightarrow$ fructose 1,6-bisfosfaat conversie, gecontroleerd door fosfofructokinase (PFK) en fructose 1,6-bisfosfatase (FBPase). De hommel kan vliegen bij lage buitentemperaturen door gelijktijdige activiteit van PFK en FBPase, wat warmte genereert, iets wat de gewone bij niet kan . De regulatie bij het kruispunt pyruvaatkinase / fosfo-enolpyruvaatcarboxykinase en pyruvaatcarboxylase is vergelijkbaar. Pyruvaatcarboxylase activiteit hangt af van acetyl-CoA (allosterische activatie). Hoge ATP concentraties sturen oxaalacetaat naar gluconeogenese, terwijl lage ATP concentraties het de citroenzuurcyclus laten binnentreden . #### 4.2.3 De Cori-cyclus Bij zware spierbelasting wordt pyruvaat omgezet in lactaat om NAD$^+$ te regenereren. Lactaat wordt door de lever opgenomen, omgezet in pyruvaat en via gluconeogenese tot glucose. Deze cyclus van lactaatafgifte door de spier en glucosegeneratie door de lever wordt de Cori-cyclus genoemd . ### 4.3 Glycogeenmetabolisme en de regulering ervan Glycogeen is een reservevorm van glucose, een polymeer van glucose met $\alpha$-1,4-glycosidische bindingen en $\alpha$-1,6-vertakkingen. De belangrijkste opslagplaatsen zijn lever en spier . #### 4.3.1 Glycogeenafbraak (glycogenolyse) Glycogeen wordt gesplitst door orthofosfaat tot glucose 1-fosfaat, gekatalyseerd door glycogeen fosforylase . $$ (\text{Glycogeen})_n \text{ resten} + \text{Pi} \rightarrow \text{glucose-1P} + (\text{glycogeen})_{n-1} \text{ resten} $$ Dit proces is energetisch voordelig omdat het gefosforyleerde suiker niet uit de cel kan migreren en geen verdere ATP-consumptie vereist. De afbraak stopt vier suikers voor de $\alpha$-1,6-vertakking. Een transferase verplaatst drie glycosylresten, waarna een $\alpha$-1,6-glucosidase de $\alpha$-1,6-binding hydrolyseert tot vrije glucose. Glucose 1-fosfaat wordt omgezet in glucose 6-fosfaat door fosfoglucomutase. In de lever wordt glucose 6-fosfaat gedefosforyleerd tot glucose en vrijgegeven aan het bloed . #### 4.3.2 GlycogeenSynthese (glycogenese) Glycogeen synthese gebruikt uridinedifosfaat-glucose (UDP-glucose) als glycosyldonor. UDP-glucose wordt gevormd uit glucose 1-fosfaat en UTP, gedreven door UDP-glucosepyrofosforylase en PPi hydrolyse. Glycogeen synthese vereist een primer van minstens vier glycosidische resten. Glycogeen synthase vormt $\alpha$-1,4-bindingen, en het branching-enzym vormt $\alpha$-1,6-bindingen . #### 4.3.3 Controle op glycogeenmetabolisme * **Hormonale regulatie:** Insuline, adrenaline en glucagon reguleren de activiteit van glycogeen synthase en fosforylase . * **Glucagon en Adrenaline:** Stimuleren de fosforylering van synthasefosforylasekinase (SPK) door cAMP-afhankelijk proteïnekinase (PKA). Gefosforyleerd SPK activeert fosforylase en inactiveert glycogeen synthase . * **Insuline:** Activeert fosfatase-1, dat fosforylase inactiveert en glycogeen synthase activeert . * **Fosforyleringscascade:** Glucagon en adrenaline activeren adenylaatcyclase $\rightarrow$ cAMP $\rightarrow$ PKA $\rightarrow$ SPK $\rightarrow$ fosforylase-a (actief) en inactief glycogeen synthase . * **Regulatie van fosforylase:** * **Leverfosforylase:** Gereguleerd door de fosforylatietoestand (a-vorm is actief). Glucose bindt allosterisch aan de T-vorm, waardoor fosfatase 1 kan binden en het fosforylase b wordt . * **Spierfosforylase:** Gereguleerd door allosterie (AMP activeert b-vorm) en fosforylatie (a-vorm is altijd actief) . * **Omkering van fosforylase-activiteit:** Fosfatase-1 deactiveert fosforylase-a en activeert glycogeen synthase . #### 4.3.4 Glycogeenmetabolisme in de lever en bloedglucosespiegel De lever 'voelt' de glucoseconcentratie; fosforylase-a is de sensor. Glucose bindt aan fosforylase-a en verschuift het naar de T-configuratie, waardoor fosfatase 1 het kan defosforyleren. Glucokinase bepaalt de glucosedrempel voor glycogeen synthese, fosforylase b bepaalt de drempel voor glycogeenafbraak . #### 4.3.5 Glycogeenstapelingsziekten Genetische deficiënties in glycogeenmetabolisme-enzymen zijn vaak letaal . ### 4.4 Metabolisme van aminozuren Aminozuren bevatten stikstof, wat een dagelijkse behoefte van 30-40 g stikstof vereist. Ze worden verkregen uit voedingseiwitten, lichaamseigen eiwitten en endogene synthese. Aminozuren die niet worden opgeslagen, worden in de lever gekataboliseerd tot glucose en vetten, waarbij ureum ontstaat als afvalproduct van de stikstofwisseling . #### 4.4.1 Stikstofbalans en essentiële aminozuren Een negatieve stikstofbalans leidt tot afbraak van spieren en vetweefsel. Zoogdieren kunnen niet alle aminozuren zelf aanmaken; er zijn essentiële (moeten uit voeding komen, 9) en niet-essentiële (kunnen zelf gemaakt worden, 11) aminozuren. De keuze kan afhankelijk zijn van de leeftijd of fysiologische status (bv. arginine bij groeiende kinderen) . #### 4.4.2 Biosynthese van aminozuren * **Stikstoffixatie:** N$_2$ wordt door micro-organismen omgezet in NH$_4^+$ . $$ \text{N}_2 + 6 \, \text{e}^- + 12 \, \text{ATP} + 12 \, \text{H}_2\text{O} \rightarrow 2 \, \text{NH}_4^+ + 12 \, \text{ADP} + 12 \, \text{Pi} + 4 \, \text{H}^+ $$ * **NH$_4^+$ fixatie:** NH$_4^+$ reageert met $\alpha$-ketoglutaraat tot glutamaat, gekatalyseerd door glutamaatdehydrogenase. Glutamine en glutamaat zijn belangrijke N-donoren voor aminozuursynthese . * **Koolstofskeletten:** Intermediairen uit glycolyse, pentosefosfaatroute, citroenzuurcyclus en andere aminozuren dienen als precursors . * **Enkelvoudige reacties:** Alanine en aspartaat worden gevormd door transaminering van pyruvaat en oxaalacetaat met glutamaat. Glutamine en asparagine worden gevormd door amidatie van glutamaat en aspartaat. Tyrosine ontstaat door hydroxylering van fenylalanine . * **Glutamaat als precursor:** Glutamaat is precursor voor proline en arginine . * **Serine synthese:** Uit 3-fosfoglyceraat (glycolyse) via fosfoglyceraatdehydrogenase en fosfoserine-aminotransferase. Serine is precursor voor glycine en cysteïne . #### 4.4.3 Dragers van één-koolstofeenheden * **Tetrahydrofolinezuur (THF):** Vitamine B9, betrokken bij overdracht van C1-eenheden. Serine is de hoofdbron voor methyleen-THF. THF-derivaten zijn donors voor purine- en pyrimidinesynthese. Folinezuurdeficiëntie kan leiden tot bloedarmoede en geboorteafwijkingen. Sulfonamiden blokkeren bacteriële folinezuursynthese . * **S-adenosylmethionine (SAM):** Geactiveerde methylgroep donor, gevormd uit ATP en methionine . #### 4.4.4 Katabolisme van aminozuren De $\alpha$-aminogroep wordt verwijderd (desaminering) en het koolstofskelet wordt omgezet in intermediairen van de citroenzuurcyclus, acetyl-CoA, of acetoacetyl-CoA . * **Omzetting $\alpha$-aminogroep $\rightarrow$ NH$_4^+$:** * **Transaminering:** Aminogroep wordt overgedragen op $\alpha$-ketoglutaraat $\rightarrow$ glutamaat. Gekatalyseerd door transaminasen met pyridoxaalfosfaat (PLP) als cofactor . * **Oxidatieve desaminering van glutamaat:** Vorming van NH$_4^+$ door glutamaatdehydrogenase met NAD$^+$ of NADP$^+$ . * **Desaminering van serine en threonine:** Directe vorming van NH$_4^+$ door dehydratasen . * **Ureumcyclus:** Ammoniak wordt in de lever omgezet in ureum. Vereist 4 ~P bindingen . * **Stappen:** Vorming van carbamoylfosfaat, citrulline, argininosuccinaat, arginine en ureum. Fumaraat verbindt de ureumcyclus met de citroenzuurcyclus . * **Regulatie:** Glutamine dient als veilige ammoniadrager naar de lever . * **Erfelijke aandoeningen:** Deficiënties in ureumcyclus-enzymen leiden tot hyperammoniëmie . * **Afbraak $\alpha$-ketozuren:** Komen terecht in pyruvaat, acetyl-CoA, acetoacetyl-CoA, succinyl-CoA, $\alpha$-ketoglutaraat, fumaraat en oxaalacetaat. Amino's worden geclassificeerd als glucogeen (omzetbaar in glucose) of ketogeen (omzetbaar in ketonlichamen/vetten) . * **C-3 familie:** Ala, Ser, Cys, Gly, Trp (deels) $\rightarrow$ pyruvaat . * **C-4 familie:** Asp, Asn $\rightarrow$ oxaalacetaat/fumaraat. Thr kan $\rightarrow$ propionyl-CoA of acetyl-CoA en Gly . * **C-5 familie:** Gln, Glu, Pro, Arg, His $\rightarrow$ $\alpha$-ketoglutaraat . * **Vertakte ketens:** Val, Leu, Ile $\rightarrow$ propionyl-CoA, acetyl-CoA, succinyl-CoA . * **Aromatische aminozuren:** Phe en Tyr $\rightarrow$ fumaraat en acetoacetaat. Tryptofaan katabolisme is complex, C$\alpha$ en C$\beta$ komen in alanine terecht. Lysine katabolisme leidt tot acetoacetyl-CoA en acetyl-CoA. Methionine leidt tot propionyl-CoA en succinyl-CoA . * **Stofwisselingsziekten:** Hyperaminozuururemieën (bv. fenylketonurie, tyrosinemie, alkaptonurie) en zuururemieën van vertakte ketozuren (bv. maple sirup urine disease) . #### 4.4.4 Aminozuren als precursors van biomoleculen Aminozuren zijn precursors voor purines, pyrimidines, creatine, choline, histamine, thyroxine, dopamine, adrenaline, serotonine, NAD$^+$ en heem . ### 4.5 Metabolisme van nucleotiden Nucleotiden bestaan uit een gefosforyleerde pentosesuiker en een base (purine of pyrimidine). Ze zijn cruciaal voor DNA/RNA, energieoverdracht (ATP, GTP), signaaltransductie (cAMP, cGMP) en als geactiveerde intermediairen (UDP-glucose, SAM) . #### 4.5.1 Nomenclatuur * **Basen:** Adenine (A), Guanine (G), Cytosine (C), Thymine (T, in DNA), Uracil (U, in RNA). Purines (A, G) hebben twee ringen; pyrimidines (C, T, U) hebben één ring . * **Nucleosiden:** Base + pentose (ribose in RNA, deoxyribose in DNA) . * **Nucleotiden:** Nucleoside + fosfaatgroep (mono-, di-, trifosfaten) . #### 4.5.2 Biosynthese van de purine ring Synthese start met ribose 5-fosfaat $\rightarrow$ 5-fosforibosyl-1-pyrofosfaat (PRPP). In 11 stappen wordt inosine-monofosfaat (IMP) gevormd, dat verder omgezet wordt tot AMP of GMP. Vereist veel energie (ATP/GTP) . * **Salvage-systeem:** Recyclage van bestaande purinebasen op PRPP, minder energie-intensief. Deficiëntie in HGPRT (hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase) leidt tot Lesch-Nyhan syndroom . #### 4.5.3 Biosynthese van de pyrimidine ring De pyrimidine ring wordt eerst gesynthetiseerd en dan verbonden met ribosefosfaat. Start met carbamoylfosfaat (cytosolisch, van glutamine) $\rightarrow$ N-carbamoylaspartaat $\rightarrow$ orotaat $\rightarrow$ orotidylaat (OMP) $\rightarrow$ uridylaat (UMP). Vereist minder energie dan purinesynthese. Salvage pathways bestaan ook voor pyrimidines . #### 4.5.4 Vorming van nucleosidedifosfaten en trifosfaten Nucleosidemonofosfaten worden gefosforyleerd tot di- en trifosfaten met ATP als fosforyldonor, gekatalyseerd door specifieke kinasen. CTP wordt gevormd door amiminering van UTP . #### 4.5.5 Deoxyribonucleotiden Ontstaan door reductie van ribonucleosidedifosfaten met ribonucleotide-reductase. Deoxythymidylaat (dTMP) ontstaat door methylering van dUMP met methyleen-THF . #### 4.5.6 Antitumorgeneesmiddelen Veel middelen richten zich op de remming van dTMP-vorming . * **5-Fluorodeoxyuridylaat (FdUMP):** Remt thymidylaatsynthase (zelfmoordinhibitie) . * **Methotrexaat:** Remt dihydrofolaatreductase, noodzakelijk voor THF-regeneratie . * **Azidothymidine (AZT):** HIV-remmer, remt reverse transcriptase door incorporatie in DNA . #### 4.5.7 Regulatied van nucleosynthese Regulatie gebeurt via allosterische feedback, met ATP-concentratie als belangrijke factor. Purinesynthese wordt gereguleerd op meerdere niveaus, met PRPP als activator en nucleotiden zelf als feedbackremmers. Pyrimidinesynthese wordt gereguleerd bij carbamoylfosfaatsynthetase II . #### 4.5.8 Degradatie van nucleotiden * **Purines:** Nucleotiden worden gehydrolyseerd tot nucleosiden en fosfaat. Basen (hypoxanthine, xanthine, guanine) worden door purinenucleoside-fosforylase gesplitst. Xanthine-oxidase oxideert hypoxanthine en xanthine tot urinezuur, het eindproduct bij mensen . * **Jicht:** Veroorzaakt door urinezuur kristallisatie, vaak gerelateerd aan HGPRT-deficiëntie. Allopurinol remt xanthine-oxidase . * **Pyrimidines:** Degradatie leidt tot NH$_4^+$, CO$_2$, $\beta$-alanine (naar malonyl-CoA) of $\beta$-amino isobutyraat en succinyl-CoA . #### 4.5.9 Biosynthese van NAD$^+$, FAD en CoA Deze co-enzymen bevatten een nucleotide-gedeelte en worden gesynthetiseerd uit vitaminen. * **NAD$^+$/NADP$^+$:** Van vitamine B3 (nicotinaat/nicotinamide) . * **FAD:** Van vitamine B2 (riboflavine) . * **CoA:** Van vitamine B5 (pantotheenzuur) en cysteïne . #### 4.5.10 Secundaire boodschappermoleculen: cAMP en cGMP Gesynthetiseerd uit ATP (cAMP) en GTP (cGMP) door cyclases . ### 4.6 Metabolisme van lipiden Lipiden zijn apolaire, hydrofobe moleculen, voornamelijk bestaande uit vetzuren of afgeleiden daarvan. Ze dienen als energieopslag, celmembraancomponenten, signaalmoleculen en bescherming/isolatie . #### 4.6.1 Chemische structuur en eigenschappen van vetzuren en acylglycerolen * **Vetzuren:** Alkylketens eindigend op een carboxylgroep (R-COOH). Amfipatisch, vormen micellen . * **Verzadigde vetzuren:** Alleen enkele bindingen (bv. palmitinezuur, stearinezuur) . * **Onverzadigde vetzuren:** Bevatten één of meer cis-dubbele bindingen, wat een knik in de keten veroorzaakt en membraanvloeibaarheid verhoogt. Essentiële vetzuren (linolzuur, $\alpha$-linoleenzuur) kunnen niet door het lichaam gesynthetiseerd worden . * **Naamgeving:** C-nummering (start bij COOH), Griekse letters ($\alpha, \beta, \dots, \omega$), en omega-nummering (start bij methyl-uiteinde) . * **Acylglycerolen:** Esters van vetzuren en glycerol. Triacylglycerolen (TAGs) zijn de belangrijkste opslagvorm van vetzuren. TAGs zijn energetisch efficiënt voor opslag vanwege hun gereduceerde vorm en hydrofobe aard . #### 4.6.2 Biosynthese van vetzuren * **Bronnen:** Voeding en endogene synthese, voornamelijk palmitinezuur (16C, verzadigd) in cytosol door het vetzuursynthase-complex. Acetyl-CoA is de bouwsteen . * **Toelevering acetyl-CoA:** Via de citraat-bypass: acetyl-CoA (mitochondriaal) $\rightarrow$ citraat $\rightarrow$ acetyl-CoA (cytosolisch). Malonaat vorming door acetyl-CoA-carboxylase (snelheidsbepalend) . * **Reacties op vetzuursynthase-complex:** Ketenverlenging met acetyl-CoA en malonyl-CoA, met reductieve stappen die NADPH vereisen . * **Stoichiometrie:** Palmitinezuursynthese vereist 8 acetyl-CoA, 7 ATP, 7 NADPH en 14 NADPH-equivalenten, met een netto energieverlies van 2 ATP-equivalenten . * **Regulatie:** Acetyl-CoA-carboxylase wordt allosterisch geactiveerd door citraat en gereguleerd door hormonen (insuline stimuleert, glucagon remt via PKA) . * **Verdere opbouw:** Synthese van langere verzadigde vetzuren (elongatie) en onverzadigde vetzuren (desaturatie) in ER . #### 4.6.3 Opslag van vetzuren als TAG's TAGs worden gesynthetiseerd in lever, vetweefsel en darmmucosa . * **TAG-synthese:** Glycerol 3-fosfaat + 3 vetzuur-CoA $\rightarrow$ TAG + 3 CoA + 3 PPi/AMP. Kost 7 ATP-equivalenten . * **Mobilisatie (Lipolyse):** Hydrolyse van TAGs door lipasen (ATGL, HSL). Vrije vetzuren worden aan albumine gebonden en getransporteerd. Glycerol gaat naar de lever . * **Regulatie van lipolyse:** Geactiveerd door glucagon, adrenaline (via cAMP/PKA cascade op HSL en perilipine) en geremd door insuline . #### 4.6.4 Gebruik van vetzuren voor energieproductie ($\beta$-oxidatie) Gebeurt in mitochondriën, parallel aan de vetzuursynthese maar met andere cofactoren (NAD$^+$, FAD) . * **Voorbereidende stappen:** Vetzuuractivering tot acyl-CoA en transport via carnitine-shuttle (CPT I en II) . * **$\beta$-oxidatie reactiecyclus:** 1. Dehydrogenatie (FAD $\rightarrow$ FADH$_2$), 2. Hydratatie, 3. Dehydrogenatie (NAD$^+$ $\rightarrow$ NADH), 4. Thiolyse (vormt acetyl-CoA en verkort vetzuur) . * **Regulatie:** Malonyl-CoA remt carnitine-palmitoyltransferase I (CPT I), waardoor synthese en oxidatie van elkaar gescheiden worden. Glucagon bevordert $\beta$-oxidatie in lever via CREB . * **Bestemming acetyl-CoA:** Krebs-cyclus, vetzuursynthese, ketogenese, cholesterolsynthese . * **Energierendement:** Palmitinezuur levert 129 ATP op (na aftrek van activering) . #### 4.6.5 Ketonlichamen Acetoacetaat, $\beta$-OH-butyraat en aceton gevormd in de lever uit acetyl-CoA wanneer vetzuuroxidatie hoog is. Primaire brandstof voor perifere weefsels bij vasten of insulinedeficiëntie . * **Ketogenese:** 3 acetyl-CoA $\rightarrow$ HMG-CoA $\rightarrow$ acetoacetaat + acetyl-CoA. Acetoacetaat kan $\rightarrow$ $\beta$-OH-butyraat of aceton . * **Metabolisme in perifere weefsels:** Acetoacetaat $\rightarrow$ acetoacetyl-CoA (via succinyl-CoA of thiokinase) $\rightarrow$ 2 acetyl-CoA . * **Regulatie:** Verhoogd bij hoge vetzuurconcentraties en lage glucose/insuline (via glucagon) . #### 4.6.6 Cholesterol en cholesterolderivaten * **Structuur en functies:** Polycyclisch sterol, essentieel membraancomponent, precursor van galzuren, steroïdehormonen en vitamine D . * **Biosynthese:** Van acetyl-CoA in cytosol en ER, via mevalonaat (snelheidsbepalend, gereguleerd door HMG-CoA-reductase) en isopentenylpyrofosfaat . * **Galzuren:** Afgeleid van cholesterol in de lever, geconjugeerd met glycine of taurine, essentieel voor vetvertering en uitscheiding van cholesterol. Recycleren via enterohepatische circulatie. Primaire galzuren (cholaat, chenodeoxycholaat) worden in de darm omgezet tot secundaire galzuren (deoxycholaat, lithocholaat) . --- ## 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 | |---|---| | Metabolisme | Het geheel van chemische reacties die in een organisme plaatsvinden om energie te produceren of te verbruiken, inclusief de synthese en afbraak van moleculen. | | Katabolisme | Het proces waarbij complexe moleculen worden afgebroken tot eenvoudigere moleculen, waarbij energie vrijkomt, vaak in de vorm van ATP. | | Anabolisme | Het proces waarbij eenvoudigere moleculen worden gesynthetiseerd tot complexere moleculen, waarbij energie wordt verbruikt, vaak uit ATP. | | ATP (Adenosinetrifosfaat) | Een nucleotidetrifosfaat dat dient als de primaire energiedrager in levende organismen, door de afsplitsing van fosfaatgroepen waarbij energie vrijkomt. | | NADH en NADPH | Gereduceerde vormen van nicotinamide-adeninedinucleotide en zijn fosfaatderivaat, die fungeren als elektronendragers in redoxreacties en essentieel zijn voor ATP-productie en biosynthese. | | Vrije Energie (∆G) | Een thermodynamische grootheid die de hoeveelheid energie aangeeft die beschikbaar is om nuttig werk te verrichten in een proces bij constante temperatuur en druk. Een negatieve ∆G duidt op een spontaan, exergonisch proces. | | Exergonisch | Een proces waarbij vrije energie vrijkomt (∆G < 0), wat spontane voortgang mogelijk maakt. | | Endergonisch | Een proces dat energie vereist om voort te gaan (∆G > 0), en dus niet spontaan is zonder energietoevoer. | | Vetzuren | Alifatische ketens die eindigen op een carboxylgroep, gebruikt als energiebron en bouwstenen voor lipiden. Ze zijn amfipatisch door hun hydrofobe staart en hydrofiele kop. | | Triacylglycerolen (TAGs) | Esters van glycerol met drie vetzuren, de belangrijkste vorm van energieopslag in het menselijk lichaam vanwege hun hoge energiedichtheid en hydrofobe aard. | | Glycolyse | Het metabole pad waarbij glucose wordt afgebroken tot pyruvaat, met netto winst van ATP en NADH, en dat plaatsvindt in het cytosol. | | Citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) | Een reeks cyclische reacties in de mitochondriale matrix die acetyl-CoA volledig oxideert tot CO2, waarbij NADH, FADH2 en GTP worden geproduceerd. | | Oxidatieve fosforylering | Het proces waarbij de energie, vrijgegeven door elektrontransport langs de elektronentransportketen, wordt gebruikt om ATP te synthetiseren uit ADP en Pi. | | Elektronentransportketen (ETK) | Een reeks eiwitcomplexen in het binnenste mitochondriale membraan die elektronen overdragen van NADH en FADH2 naar zuurstof, waarbij protonen worden getransloceerd en een protonengradiënt wordt opgebouwd. | | ATP-synthase | Een enzymcomplex in het binnenste mitochondriale membraan dat de energie van de protonengradiënt benut om ATP te synthetiseren uit ADP en Pi. | | Pentosefosfaatroute | Een metabool pad dat parallel loopt met de glycolyse, waarbij NADPH wordt gegenereerd voor reductieve biosynthese en pentosen voor nucleotidenmetabolisme. | | Aminozuren | Organische moleculen die een aminogroep en een carboxylgroep bevatten, de bouwstenen van eiwitten en precursors voor vele andere biomoleculen. | | Ureumcyclus | Een biochemische cyclus in de lever die ammoniumionen omzet in ureum, het belangrijkste stikstofhoudende afvalproduct dat via de urine wordt uitgescheiden. | | Nucleotiden | Moleculen bestaande uit een pentosesuiker, een stikstofbase en een of meer fosfaatgroepen, essentieel voor DNA, RNA, energietransport en signaaltransductie. | | Vetzuren | Alifatische ketens die eindigen op een carboxylgroep, gebruikt als energiebron en bouwstenen voor lipiden. Ze zijn amfipatisch door hun hydrofobe staart en hydrofiele kop. | | Ketonlichamen | Energiebronnen, voornamelijk acetoacetaat en β-hydroxybutyraat, geproduceerd uit vetzuurafbraak in de lever tijdens periodes van laag glucose-aanbod, gebruikt door perifere weefsels als alternatief voor glucose. | | Cholesterol | Een polycyclisch lipide dat essentieel is voor celmembranen, de synthese van galzuren, steroïdhormonen en vitamine D, en waarvan de biosynthese in de lever plaatsvindt. | | Galzuren | Afgeleiden van cholesterol, gesynthetiseerd in de lever, die fungeren als emulgatoren voor vetten in de darm en essentieel zijn voor de opname van vetoplosbare vitaminen. | | Bèta-oxidatie | Het metabole pad waarbij vetzuren in de mitochondriën worden afgebroken tot acetyl-CoA, waarbij tegelijkertijd NADH en FADH2 worden geproduceerd die bijdragen aan ATP-synthese. | | Acetyl-CoA | Een centraal molecuul in het metabolisme, gevormd door de afbraak van koolhydraten, vetten en aminozuren, dat kan worden gebruikt in de citroenzuurcyclus, vetzuursynthese of ketogenese. | | Vitamine B12 (Cobalamine) | Een cofactor die nodig is voor de omzetting van L-methylmalonyl-CoA naar succinyl-CoA en voor de methylering van homocysteïne tot methionine, met een centrale rol in het metabolisme van C1-eenheden. | | Tetrahydrofolaat (THF) | Een co-enzym afgeleid van foliumzuur (vitamine B9), dat fungeert als drager van C1-eenheden in verschillende biosynthetische reacties, waaronder purine- en pyrimidinesynthese. | | S-adenosylmethionine (SAM) | Een molecule die fungeert als een belangrijke methyldonor in talrijke biosynthetische en metabole reacties, waaronder DNA- en histonmethylatie. | | Guanine | Een purinebase die een essentieel onderdeel vormt van DNA en RNA, en ook voorkomt in de energie-drager GTP. | | Cytosine | Een pyrimidinebase die een onderdeel is van DNA en RNA, en ook voorkomt in de energie-drager CTP. | | Thymine | Een pyrimidinebase die specifiek voorkomt in DNA, in plaats van uracil dat in RNA wordt aangetroffen. | | Uracil | Een pyrimidinebase die specifiek voorkomt in RNA, in plaats van thymine dat in DNA wordt aangetroffen. | | Fenylketonurie (PKU) | Een erfelijke stofwisselingsziekte veroorzaakt door een defect in het fenylalaninehydroxylase-enzym, wat leidt tot accumulatie van fenylalanine en hersenbeschadiging indien onbehandeld. | | Jicht | Een metabolische aandoening veroorzaakt door een teveel aan urinezuur in het bloed, wat kan leiden tot kristallisatie in gewrichten en nierstenen. | | Lipiden | Een diverse groep van polaire en apolaire moleculen, waaronder vetzuren, triacylglycerolen, fosfolipiden en cholesterol, die essentieel zijn voor energieopslag, celmembranen, signalering en bescherming. |