Biologie H3 - Energie

1. Stofwisseling, assimilatie en dissimilatie

•   Stofwisseling (metabolisme): het geheel van chemische processen in een cel.

•   Assimilatie: de opbouw van organische moleculen uit kleinere moleculen.

–   Resultaat: vorming van organische stoffen waaruit het individu bestaat.

–   Assimilatiereacties zijn endotherm: er wordt energie vastgelegd in de grotere moleculen.

•   Dissimilatie: de afbraak van organische moleculen tot kleinere moleculen.

–   Resultaat: vrijmaken van energie voor processen in cellen.

–   Dissimilatiereacties zijn exotherm.

•   ATP (adenosinetrifosfaat) brengt in cellen chemische energie over van de ene stof naar de andere stof.

–   Opbouw: ADP + P_i + energie ® ATP

–   Afbraak: ATP ® ADP + P_i + energie

•   In organische moleculen bevindt de chemische energie zich vooral in de elektronen.

–   Elektronen die in een ruime baan om de atoomkern bewegen, zijn energierijk.

–   Bij dissimilatiereacties worden energierijke elektronen, meestal samen met waterstofionen, overgedragen aan elektronenacceptoren (waterstofacceptoren).

2. Bouw en werking van enzymen

•   Enzymen versnellen (katalyseren) stofwisselingsreacties zonder daarbij zelf te worden verbruikt.

–   Enzymen verlagen de hoeveelheid activeringsenergie die nodig is om een reactie op gang te brengen.

•   Enzymatische reacties zijn vaak evenwichtsreacties.

–   Een enzym heeft geen invloed op de ligging van het evenwicht, wel op de snelheid waarmee het evenwicht zich instelt.

–   Enzymen zijn reactiespecifiek: elk enzym kan slechts één evenwichtsreactie beïnvloeden.

•   Een enzym wordt genoemd naar het substraat (de stof waarop het enzym inwerkt).

–   De naam van het enzym krijgt het achtervoegsel -ase.

•   Enzymen zijn eiwitmoleculen met een specifieke ruimtelijke structuur.

–   Een enzymmolecuul heeft een actief centrum, dat tijdelijk een binding aangaat met een substraatmolecuul. Er ontstaat dan een enzym-substraatcomplex.

•   Sommige enzymen hebben een co-enzym nodig om werkzaam te zijn.

–   Co-enzym: bv. een metaalion of een vitamine.

–   Apo-enzym: het enzymmolecuul met het actieve centrum.

3. Invloed van milieufactoren op de enzymactiviteit

•   De enzymactiviteit kan worden uitgedrukt in:

–   de hoeveelheid substraat die per tijdseenheid wordt omgezet;

–   de hoeveelheid reactieproduct die per tijdseenheid ontstaat.

•   De enzymactiviteit kan ook worden afgeleid uit de tijd die een bepaalde hoeveelheid enzym nodig heeft om een bepaalde hoeveelheid substraat om te zetten.

•   Temperatuur: beïnvloedt de enzymactiviteit volgens een optimumkromme.

–   Bij stijgende temperatuur zetten intacte enzymmoleculen sneller substraatmoleculen om.

–   Bij stijgende temperatuur denatureren steeds meer enzymmoleculen: ze verliezen hun specifieke ruimtelijke structuur. Deze verandering is irreversibel (onomkeerbaar).

•   Zuurgraad (pH): beïnvloedt de enzymactiviteit volgens een optimumkromme.

–   Een oplossing die veel H⁺-ionen bevat is zuur.

–   Een oplossing die veel OH^–-ionen bevat is basisch.

–   De ruimtelijke structuur van enzymmoleculen blijft alleen bij een bepaalde pH in stand.

•   Chemische stoffen kunnen de enzymactiviteit beïnvloeden.

–   Activering: de ruimtelijke structuur van een enzymmolecuul wordt zodanig veranderd, dat sneller E-S-complexen kunnen worden gevormd (bv. sommige hormonen, geneesmiddelen).

–   Concurrerende remming: remstofmoleculen concurreren met substraatmoleculen in het aangaan van een binding met het actieve centrum van enzymmoleculen (bv. sulfapreparaten).

–   Niet-concurrerende remming: remstoffen veranderen de ruimtelijke structuur van enzymmoleculen, waardoor geen E-S-complexen meer kunnen worden gevormd (bv. zware metalen). Deze verandering is irreversibel.

4. Aërobe dissimilatie van glucose

•   De aërobe dissimilatie van glucose wordt ook wel verbranding genoemd. Brutoreactievergelijking:

     C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂ ® 6CO₂ + 12H₂O + energie

•   Glycolyse: glucosemolecuul wordt gesplitst in 2 pyrodruivenzuurmoleculen.

–   De glycolyse vindt plaats in het grondplasma.

•   Citroenzuurcyclus (krebscyclus): de pyrodruivenzuurmoleculen worden afgebroken tot koolstofdioxidemolekulen.

–   Energierijke elektronen worden overgedragen aan elektronenacceptoren (NAD⁺ en FAD).

–   De citroenzuurcyclus vindt plaats in de vloeistof in de mitochondriën.

•   Oxidatieve fosforylering (elektronentransportketen): energierijke elektronen staan hun energie geleidelijk af voor de synthese van ATP.

–   Op het laatst worden de elektronen (samen met waterstofionen) gebonden aan zuurstof. Hierbij ontstaan watermoleculen.

–   De oxidatieve fosforylering vindt plaats in het binnenmembraan van de mitochondriën.

•   Een glucosemolecuul levert de energie voor de vorming van ATP-moleculen.

–   Bij de glycolyse netto 2 ATP-moleculen.

–   Bij de citroenzuurcyclus en de oxidatieve fosforylering 36 ATP-moleculen.

 5. Fotosynthese

•   Fotosynthese is koolstofassimilatie met behulp van lichtenergie.

Brutoreactievergelijking:            6CO₂ + 12H₂O + lichtenergie ® C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂

•   Fotosynthese vindt plaats in cellen met bladgroen.

–   Bladgroen is een verzamelnaam voor verschillende fotosynthetische pigmenten (o.a. chlorofyl en caroteen), die lichtenergie absorberen.

–   Uit wit licht worden vooral de kleuren violet, blauw en rood geabsorbeerd.

–   De glucose die bij de fotosynthese ontstaat, wordt voor een deel direct omgezet in zetmeel.

•   Lichtreacties: lichtenergie wordt vastgelegd.

–   Andere fotosynthetische pigmenten dragen de energie die ze hebben geabsorbeerd over aan chlorofyl.

–   In chlorofylmoleculen worden elektronen aangeslagen.

–   Chlorofyl kan de energierijke elektronen overdragen aan NADP⁺.

–   In chlorofyl worden de elektronen aangevuld vanuit watermoleculen, die hiervoor worden gesplitst.

•   Donkerreacties: uit CO₂-moleculen worden glucosemoleculen opgebouwd.

–   De energie die hiervoor nodig is wordt geleverd door de energierijke producten van de lichtreacties (ATP en NADPH).

–   Voor de donkerreacties is geen licht nodig.

–   De donkerreacties vinden aansluitend op de lichtreacties plaats.

6. Chemosynthese en voortgezette assimilatie

•   Chemosynthese: koolstofassimilatie met behulp van energie, verkregen uit de oxidatie van een anorganische stof.

–   Zwavelbacteriën oxideren waterstofsulfide (H₂S) tot zwavel (S) en vervolgens tot zwavelzuur (H₂SO₄).

–   Nitrietbacteriën oxideren NH₃ of NH₄⁺ tot nitrietionen (NO₂^–).

–   Nitraatbacteriën oxideren nitrietionen tot nitraationen (NO₃^–).

•   Voortgezette assimi: vorming van andere koolhy/eiwitten/vetten uit glucose.

–   Hierbij is ATP de energiebron.

•   Assimilatie van koolhydraten.

–   Uit monosachariden (bv. glucose, fructose) kunnen disachariden (bv. sacharose) worden gevormd.

–   Door polymerisatie kunnen polysachariden worden gevormd (bv. zetmeel, glycogeen, cellulose).

–   Bij planten dient zetmeel als koolhydraatreserve en bij dieren glycogeen.

•   Assimilatie van eiwitten (proteïnen).

–   Eiwitten: polymeren van aminozuren. Er zijn 20 verschillende aminozuren.

–   Aminozuren bestaan uit een C-atoom, een aminogroep (–NH₂), een zuurgroep (–COOH), een H-atoom en een restgroep.

–   Planten kunnen aminozuren assimileren uit glucose en nitraationen. Dieren kunnen alleen aminozuren assimileren uit andere aminozuren.

–   Eiwitturnover: eiwitten worden meestal opgebouwd uit aminozuren die vrijkomen uit juist afgebroken eiwitten.

•   Assimilatie van vetten (lipiden).

–   Een vetmolecuul is opgebouwd uit glycerol en drie vetzuren (bij fosfolipiden is één vetzuur vervangen door fosforzuur).

–   Vetten worden als reservebrandstof opgeslagen.

 7. Anaërobe dissimilatie van glucose en dissimilatie van eiwitten en vetten

•   Anaërobe dissimilatie van glucose: hierbij vindt alleen glycolyse plaats.

–   Per glucosemolecuul worden slechts twee ATP-moleculen gevormd.

–   Er blijven energierijke eindproducten over.

•   Alcoholgisting: het eindproduct van de glycolyse (pyrodruivenzuur) wordt omgezet in ethanol.

–   Bij deze omzetting komt CO₂ vrij en wordt NAD⁺ gevormd.

–   Alcoholgisting wordt toegepast bij de bereiding van bier, wijn en brood.

•   Melkzuurgisting: pyrodruivenzuur wordt omgezet in melkzuur.

–   Bij deze omzetting wordt NAD⁺ gevormd.

–   Melkzuurgisting wordt toegepast bij de bereiding van kaas, yoghurt en zuurkool.

–   Melkzuurgisting vindt ook plaats in spieren, wanneer er in korte tijd veel energie moet worden vrijgemaakt.

•   Dissimilatie van eiwitten.

–   Eiwitten worden gesplitst in aminozuren.

–   Van de aminozuren wordt de aminogroep afgesplitst en omgezet in ammoniak.

–   De overblijvende koolstofketen wordt omgezet in pyrodruivenzuur, in azijnzuur of in een andere stof en verder gedissimileerd in de citroenzuurcyclus.

•   Dissimilatie van vetten.

–   Vetten worden gesplitst in glycerol en vetzuren.

–   Glycerol wordt omgezet in pyrodruivenzuur.

–   Van de vetzuren worden C₂-moleculen afgesplitst, die worden omgezet in azijnzuur.

8. Respiratoir quotënt en basale metabolisme

•   Respiratoir Quotiënt (RQ):     aantal afgegeven CO₂-moleculen

                                                           aantal opgenomen O₂-moleculen

•   Bij aërobe dissimilatie:

–   Koolhydraten: RQ = 1,0

–   Vetten: RQ = 0,7

–   Eiwitten: RQ = 0,8

•   Basale metabolisme (grondstofwisseling): de stofwisseling van een individu in rust.

•   De intensiteit van het basale metabolisme van een individu is afhankelijk van:

–   Gewicht

–   Leeftijd

–   Geslacht

–   Lichaamstemperatuur (bij homoiotherme dieren is die temperatuur constant; bij poikilotherme dieren is die ongeveer gelijk aan de omgevingstemperatuur)

–   Tijd van het jaar of tijdstip van de dag

9. Kringloop van koolstof

•   Producenten nemen koolstofdioxide uit de lucht op en produceren hiermee organische stoffen.

–   Planten en cyanobacteriën zijn producenten.

•   Consumenten nemen de organische stoffen van andere organismen als voedsel op.

–   Dieren zijn consumenten.

•   Reducenten breken organische resten af tot anorganische stoffen.

–   Schimmels en heterotrofe bacteriën zijn reducenten.

–   Detritus: alle dode resten en andere afvalproducten van organismen.

•   Door verbranding van fossiele brandstoffen komt extra koolstof (CO₂) in de koolstofkringloop.

10. Kringloop van stikstof

•   Producenten nemen stikstof vooral op in nitraationen.

–   Stikstofassimilatie: uit nitraationen en glucose worden stikstofhoudende organische verbindingen (bv. eiwitten) opgebouwd.

•   Consumenten scheiden stikstof uit met hun urine (als ammoniak, ureum of urinezuur).

•   Reducenten breken organische stikstofhoudende verbindingen af tot o.a. ammoniak.

•   Nitrificerende bacteriën zijn actief in een zuurstofrijke bodem.

–   Nitrietbacteriën zetten ammoniak en ammoniumionen om in nitrietionen.

–   Nitraatbacteriën zetten nitrietionen om in nitraationen.

•   Denitrificerende bacteriën zetten nitraationen om in gasvormige stikstof (N₂).

–   Denitrificerende bacteriën zijn actief in een zuurstofarme bodem.

•   Stikstofbindende bacteriën zetten gasvormige stikstof om in ammoniak. Met ammoniak kunnen aminozuren worden gesynthetiseerd.

–   Stikstofbinding (stikstoffixatie) kan alleen plaatsvinden onder anaërobe omstandigheden.

–   Stikstofbindende bacteriën komen vrij levend in de bodem voor en in de wortelknolletjes van vlinderbloemige planten. Ook bij cyanobacteriën kan stikstofbinding plaatsvinden.

–   Groenbemesting: het verbouwen van vlinderbloemige planten op grond die arm is aan nitraationen.