Energie

Samenvatting biologie
Thema 3, Energie

Basisstof 1, vrije en gebonden energie
Vrije energie; warmte, beweging, licht, elektrische stroom, geluid.
Gebonden energie; potentiële energie, toevoegen van energie.
Wet van behoud van energie = totale hoeveelheid energie blijft gelijk
Chemische energie = vrije energie, vastgelegd in chemische verbindingen.
Endotherme reacties = Reacties waarbij het reactieproduct meer energie bevat dan de reactanten.
Exotherme reacties = Reacties waarbij het reactieproduct minder energie bevat dan de reactanten.


Organische stoffen
Organische stoffen Anorganische stoffen
Groot Klein
C Niet perse C
H, O, N, S, P, Fe, Mg Rest ook mogelijk
Koolstofketens Geen koolstofketens
Molecuulformule, structuurformule, ruimtelijk model.

Assimilatie en dissimilatie
Stofwisseling = het geheel van chemische processen in een organisme
Assimilatie = de opbouw van organische moleculen uit kleinere moleculen. Hiervoor is energie nodig. Bv; fotosynthese
Dissimilatie = de afbraak van organische moleculen. Hierbij komt energie vrij. + O2 = verbranding.
Bekijken afb. 4

ATP
De vrijgekomen energie van exotherme reacties wordt gebruik bij de assimilatie van grote, organische moleculen. Het overbrengen van de vrijgekomen energie gebeurd via ATP (adenosinetrifosfaat)
Nucleotide = een van de bouwstenen van nucleïnezuren.

ATP kan je opdelen in Adenosine en drie fosfaatgroepen. Bij het afsplitsen van de 3e fosfaatgroep komt er energie vrij, ATP wordt dan weer ADP. Het opbouwen van ATP uit ADP gebeurt in de mitochondrien, met de vrijgekomen energie van een dissimilatiereactie.
Fosforlysering = het ontstaan van ATP door het binden van een fosfaatgroep aan ADP.

Energierijke elektronen
De chemische energie van organische stoffen bevindt zich vooral in de electronen,
Veel energie = ruime baan om de atoomkern
Vrijkomen energie = terugvallen naar een baan dichter om de atoomkern
Weinig energie = baan dicht om de atoomkern
Niet alle energie mag in 1 keer vrijkomen  elektronenacceptor.
Elektroenacceptor = organische stof die hun elektronen in hun energierijke toestand opneemt, meestal samen met waterstofionen  waterstofacceptor.
NAD+ = nicotinamide-adenine-dinucleotide)
FAD = flavine-adenine-dinucleotide)
Gereduceerde waterstofacceptor = waterstofacceptor die elektronen en waterstofionen gebonden heeft.
Geoxideerde waterstofacceptor = waterstofacceptor die elektronen en waterstofionen afgestaan heeft.

Basisstof 2, Enzymen
Enzymen = eiwitten die de stofwisselingreacties in je lichaam versnellen, zonder dat ze daarbij zelf worden verbruikt. De naam van het enzym is afgeleid van de stam van het substraat, met het achtervoegsel –ase. Bij evenwicht versnelt het enzym de reactie beide kanten op. Het enzym doet dit door de activeringsenergie van de reactie te verlagen, waardoor de reactie ook in de omstandigheden die heersen in je cellen kan plaatsvinden. Sommige enzymen hebben een ander enzym nodig om te werken, dit wordt een co-enzym genoemd. De werking van enzymen wordt beïnvloed door de temperatuur, de PH-waarde, en de stoffen waarmee het enzym een binding aangaat.

Substraat = de stof waarop het enzym inwerkt.
Product = de stof die bij een reactie ontstaat.
Temperatuur heeft een grote invloed op chemische reacties.
Temperatuur laag = reactie komt langzaam tot stand.
Temperatuur hoog = reactie komt snel tot stand.
Activeringsenergie = de energie die nog aan een reactie toegevoegd moet worden om de reactie op gang te laten komen.
Co-enzym = een enzym dat het eigenlijke enzym nodig heeft om te werken. Meestal een vitamine  tekort aan vitaminen = stofwisselingsprobleem.
Apo-enzym = het enzym wat een co-enzym nodig heeft om te werken.

Werking van eiwitten
Eiwitten bestaan uit een actief centrum met een specifieke ruimtelijke structuur. Door deze structuur kan het eiwit met 1 bepaalde stof reageren, het substraat. Deze 2 samen vormen een eiwit-substraatcomplex. De vorming hiervan zorgt ervoor dat de activeringsenergie voor het substraat verlaagd wordt. Door het verbreken van bindingen in het substraat, en het aangaan van nieuwe wordt het reactieproduct sneller gevormd dan als dit door toevallige botsingen zou moeten gebeuren.
Reactiespecifiek = elk enzym kan slechts inwerken op één stof, of groep van stoffen.

Enzymactiviteit = de snelheid waarmee een enzym een reactie versneld. Uitgedrukt in hoeveelheid substraat of reactieproduct.

Invloed van de temperatuur
Minimum temperatuur = de temperatuur waaronder een enzym niet werkt, door een te langzame beweging van de moleculen.
Stijging van de temperatuur  snelheid reactie neemt toe doordat de bindingen tussen enzym en substraat makkelijker tot stand komen.
Maximumtemperatuur = de temperatuur waarboven het enzym niet werkt, omdat de ruimtelijke structuur beschadigd wordt door de hitte. Dit is onomkeerbaar, en vergelijkbaar met koken.
Optimum = het punt waarop het enzym het beste werkt
Optimumkromme = een grafiek die het verband tussen de temperatuur en de enzymactiviteit weergeeft.

Invloed van de PH
Zuurgraad = de pH-waarde van een stof. (Ten opzichte van HCl?)
Zuur = een oplossing die veel H+ ionen bevat.
Basisch = een oplossing die veel OH- ionen bevat.
De werking van enzymen wordt beïnvloed door de pH-waarde van de oplossing waar ze zich in bevinden. De ruimtelijke structuur van een enzym blijft alleen heel bij een bepaalde pH-waarde.

Activering of remming van de enzymactiviteit
Enzymactiviteit wordt beïnvloed door de stoffen waarmee het enzym een binding aangaat.

Twee opties: activiteit verhoogd (activator) , of verlaagd (inhibitor).
Activatoren werken door een binding aan te gaan die er voor zorgt dat het enzym-substraatcomplex makkelijker gevormd kan worden.
Inhibitoren werken door het enzym zo te beschadigen dat het enzym-substraatcomplex niet meer gevormd – of langzamer - kan worden, of door een binding aan te gaan met het enzym, waardoor het substraat zich niet meer kan binden aan het enzym.
Optie 1 = niet-concurrerende remming, reversibel of permanent.
Optie 2 = concurrerende remming, werkt op het actieve deel van het enzym, reversibel.

Evenwichtsreacties
Enzymatische reacties zijn meestal evenwichtsreacties.
Negatieve terugkoppeling = bij terugkoppeling heeft het resultaat invloed op de snelheid waarmee het proces plaatsvindt.
Goed bekijken: afbeelding 28.

Basisstof 3, Aёrobe dissimilatie van glucose
Aёrobe dissimilatie = dissimilatie van glucose in aanwezigheid van O2. Glucose wordt afgebroken, waarbij CO2 en H2O moleculen gevormd worden; verbranding.
1 mol glucose = 2870 kJ energie.
Vrijkomende energie moet gebruikt kunnen worden voor de synthese van ATP. Hiervoor moet aan 3 voorwaarden worden voldaan:
1. Dissimilatie moet geleidelijk plaatsvinden

2. De energierijke elektronen die vrijkomen moeten niet direct reageren met zuurstof, maar opgevangen worden op een waterstofacceptor, waarna ze stapje voor stapje dichter bij de atoomkern komen.
3. De vrijgekomen energie moet kunnen worden benut om ATP-moleculen op te bouwen uit ADP en P.

De aerobe dissimilatie van glucose is te verdelen in 3 reactieketens.
1. De glycolyse; glucose wordt omgezet in 2 pyrodruivenzuur (later PDZ) moleculen, waarvoor 2 ATP moleculen nodig zijn. Er worden 4 ATP moleculen gevormd, en 2 NADH moleculen volgens deze reactievergelijking: 2 NAD+ + 4 E- + 2H+  2 NADH
Vindt plaats in het grondplasma
2. De citroenzuurcylcus (later CZC), wordt per glucose molecuul 2 keer doorlopen, want: 2 PDZ moleculen.
1. Afsplitsen van CO2 van het PDZ. = decarboxylering Hierbij ontstaat 1 CO2 molecuul en 1 NADH molecuul. Er is hiervoor 1 H2O molecuul nodig.
2. Overige molecuul (met 2 C atomen) wordt gebonden aan co-enzym A  acetyl co-enzym A
3. Acetyl co-enzym A treedt binnen in CZC
4. Er worden 2 CO2 moleculen, 3 NADH moleculen en 1 FADH2 molecuul gevormd. Hiervoor zijn 2 H2O moleculen nodig.
Vindt plaats in de mitochondriёn
Er zijn tot nu toe 6 ATP-moleculen gevormd, 4 bij de glycolyse, en 2 bij de CZC
Er zijn tot nu toe 10 NADH-moleculen gevormd, 2 bij de glycolyse, 2 bij de vorming van acetyl co-enzym A en 6 bij de CZC.
Er zijn tot nu toe 2 FADH2-moleculen gevormd, bij de CZC

3. De oxydative fosforylering (later OF)
Hierbij worden de energierijke elektronen doorgegeven over een keten van elektronenacceptoren, waarbij ze steeds een beetje van hun energie verliezen. Deze energie wordt gebruikt om ionen door het membraam te transporteren, het concentratieverschil in ionen wordt benut als energiebron voor de synthese van ATP.
Als laatste stap reageren de elektronen met O2, waardoor er water ontstaat. De overgebleven energie komt dan vrij in de vorm van warmte.
Er worden per keer 3 ATP moleculen gemaakt in de OF. Alle NADH-moleculen doorlopen dit traject  er ontstaan tijdens de OF 30 ATP moleculen uit NADH-moleculen.
De 2 FADH2-moleculen vervallen tot 2 ATP moleculen.
Er zijn tot nu toe 38 ATP-moleculen gevormd, 4 bij de glycolyse, 2 bij de CZC, en 32 bij de OF. Dit zijn er netto 36, want er waren er 2 nodig voor de vorming van PDZ.
Er zijn tot nu toe 10 NADH-moleculen gevormd, 2 bij de glycolyse, 2 bij de vorming van acetyl co-enzym A en 6 bij de CZC.
Er zijn tot nu toe 2 FADH2-moleculen gevormd, bij de CZC. Deze worden echter verwerkt in de OF, waarbij ze vervallen tot ATP.
Er waren in totaal 6 H2O moleculen nodig, en er zijn in totaal 12 H2O moleculen gevormd (bij de OF). De netto opbrengst van H2O moleculen is dan ook 6.
Er zijn in totaal 6 CO2 moleculen gevormd (bij de OF)
Als gevolg hiervan wordt de reactievergelijking van de aerobe dissimilatie van glucose:
C6H12O6 + 6 H2O + 6 CO2  6CO2 + 12 H2O + Energie

Onder energie vallen nu dus: 36 ATP-moleculen, 10 NADH-moleculen, 2 FADH2 moleculen en warmte.

Basisstof 4, Fotosynthese
Aerobe dissimilatie van glucose ook om te keren: fotosynthese. Uit CO2 en H2O wordt met behulp van energierijke elektronen glucose gemaakt. Hierbij wordt CO2 H2O en ATP verbruikt.
Koolstofassimilatie = het maken van glucose uit H2O en CO2.
Bij koolstofassimilatie is energie nodig, dit wordt gehaald uit licht. Licht geeft de energiearme elektronen een tik, waardoor ze in een grotere baan om de atoomkern gaan cirkelen.
Fotosynthese = de koostofassimilatie bij foto-autotrofe organismen. Hierbij komt O2 en glucose vrij. De glucose wordt bijna direct omgezet in zetmeel. Het belangrijkste fotosynthetische pigment is chlorofyl.
Foto-autotorofe organisme = organismen die licht gebruiken om hun elektronen energierijk te maken.
Bladgroen = een verzamelnaam voor verschillende fotosynthetische pigmenten. Bij planten bevinden deze zich in de chloroplasten. Deze pigmenten absorberen licht van verschillende golflengten, waardoor de plant relatief veel energie uit licht kan halen.

Onderzoek naar fotosynthese
Priestley: ratten in afgesloten fles ‘ bederven de lucht’ planten maken lucht weer ‘ gezond’
Ingenhousz: planten maken lucht alleen weer gezond in licht.
Saussure: planten nemen evenveel CO2 op als O2 af.

Sachs: in bladeren ontstaat zetmeel, alleen op plaatsen waar bladgroen is.
Engelmann: bacteriën hopen zich op, op de plaatsen waar zuurstof gevormd wordt door fotosynthese, en niet op de plaatsen waar licht is.

Fotosynthetische pigmenten
Zonlicht wordt geabsorbeerd en omgezet in chemische energie.
Elektronen worden aangeslagen door de energie en komen in een ruimere baan om de atoomkern.
Dan 2 opties:
1. geleidelijk energie afgeven in een reactieketen
2. overgedragen worden op een waterstofacceptor en energie geleidelijk afstaan ten behoeve van de vorming van ATP
Lichtreacties = reacties waarbij licht energie nodig is om ze plaats te laten vinden.
Donkerreacties = reacties die alleen de producten van lichtreacties nodig hebben om plaats te vinden, en niet het licht zelf. Deze vinden enkele seconden na de lichtreacties plaats.

Licht bestaat uit verschillende golflengten, van 400nm tot 730nm. (violet – rood)
De verschillende fotosynthetische pigmenten absorberen verschillende golflengten licht. Hierdoor lijken bladeren groen, ze absorberen alle kleuren licht, behalve groen. Als bladeren verkleuren gaan er fotosynthetische pigmenten dood, waardoor dit licht niet geabsorbeerd, maar weerkaatst wordt. Dit zie je dan.

Fotometer = een apparaat om de hoeveelheid energie in de verschillende delen van het spectrum te meten.
Absorptiespectrum kan bewezen worden door licht door een absorberende oplossing te leiden en dan de hoeveelheid energie te meten.

Lichtreacties
Zonlicht wordt geabsorbeerd en omgezet in chemische energie.
Elektronen worden aangeslagen door de energie en komen in een ruimere baan om de atoomkern.
Dan 2 opties:
1. Geleidelijk energie afgeven in een reactieketen. Dit gebeurt via enzymen. De vrijgekomen energie wordt gebruikt voor het actief transport van ionen door de membramen van de cholorplast. Hierdoor ontstaat een concentratieverschil in ionen. Dit wordt gebruikt als energiebron voor de vorming van ATP. = Fotosysteem 1 (cyclische fosforylering)
2. Overgedragen worden op een waterstofacceptor en energie geleidelijk afstaan ten behoeve van de vorming van ATP. Hierdoor wordt het pigmentmolecuul positief. Om weer neutraal te worden nemen de pigmentmoleculen energiearme elektronen op. Deze worden verkregen door water de splitsen in H en O. NADP+ dient hier als elektronen acceptor. Deze neemt 2 E- en 1H+ op. Ook hier worden ionen actief getransporteerd. Waardoor er een concentratieverschil ontstaat. Dit wordt gebruikt voor de vorming ATP.

Donkerreacties

Gebruiken de ATP en de NADPH die ontstaan bij de lichtreacties als energiebron. Er worden bij deze donkerreacties 12 NADPH en 18 ATP moleculen gebruikt, om 1 glucosemolecuul te maken. Om dit te maken in de lichtreacties moeten deze respectievelijk 12 en 18 keer doorlopen worden. Iedere keer is hiervoor 1 watermolecuul nodig. Dit maakt de bruto-reactievergelijking:
1. Schrijf op wat je al weet: 12 H2O voor de pijl, 1 glucose na de pijl, 6 H2O na de pijl.
2. Nog 6 C nodig. Komt niet los voor dus: 6CO2.
3. 6 CO2 + 12 H2O + energie  C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2.

Basisstof 5, Andere assimilatie- en dissimilatieprocessen.
Fotosynthese = een vorm van koolstofassimilatie waarbij de energie uit (zon) licht wordt benut.
Chemosynthese = een vorm van koolstofassimilatie waarbij de energie verkregen wordt uit de oxidatieprocessen van anorganische stoffen.
Voortgezette assimilatie = de vorming van koolhydraten, eiwitten en vetten waarbij glucose als grondstof dient. De benodigde energie wordt geleverd door ATP. Kan ontstaan bij fotosynthese, maar meestal niet. Bij fotosynthese wordt namelijk zo weinig energie gevormd dat het direct verbruikt wordt.
Anaërobe dissimilatie = dissimilatie van glucose zonder zuurstof.

Chemosynthese
Chemo-autotroof = bacteriën die hun energie kunnen verkrijgen door chemosynthese.
Door oxidatie van anorganische stoffen komen energierijke elektronen vrij. Deze worden vastgelegd in ATP. Hiermee en met een waterstof wordt uit CO2 glucose gemaakt.


Voorbeelden van chemosynthese
Zwavelbacteriën zetten waterstofsulfide om in zwavel.
2H2S + O2  2H2O + 2S + energie
Vervolgens wordt de zwavel verder geoxideerd tot zwavelzuur.
2S + 2H2O + 3O2  2H2SO4 + energie
Het zwavelzuur splits zich in water in H+-ionen en sulfaationen (SO42-)

Nitriet- en nitraatbacteriën (nitrificerende bacteriën)
Nitrietbacteriën zetten ammoniumionen om in salperigzuur.
2NH + 3O2  2HNO2 + 2H2O + Energie
Vervolgens wordt salpetrigzuur in het water gesplitst in H+-ionen en nitrietionen (NO2-)
Nitraatbacteriën zetten vervolgens het nitriet om in nitraat.
2NO2- + O2  2NO3- + energie.

Assimilatie van koolhydraten
Monosachariden = enkelvoudige suikers
Disachariden = 2 enkelvoudige suikers aan elkaar gekoppeld.
Polysachariden = honderden suikers aan elkaar gekoppeld. Vb: cellulose
Polymerisatie = het aan elkaar koppelen van suikers. Zo wordt ook zetmeel gevormd in de chloroplasten.

Amyloplasten = zetmeelkorrels waar grote hoeveelheden zetmeel opgeslagen liggen.
Glycogeen = een stof die als reservevoorraad energie dient.

Assimilatie van eiwitten
Proteïnen = eiwitten, polymeren opgebouwd uit vele aminozuren.
Aminozuren zijn opgebouwd uit een algemeen deel en een restgroep. De laatste bepaald de soort aminozuur.
Planten kunnen aminozuren maken uit glucose en NOx. De energie wordt gehaald uit ATP.
Dieren kunnen alleen aminozuren opbouwen uit andere aminozuren die in hun voedsel zitten.
Essentiële aminozuren = aminozuren die in het voedsel van dieren moeten zitten omdat ze deze zelf niet kunnen maken.

Assimilatie van vetten
Lipiden = vetten opgebouwd uit een glycerol molecuul en 3 vetzuurmoleculen  ester.
Fosforlipiden = 1 vetzuur uit de lipiden is vervangen door een fosforzuur.

Anaërobe dissimilatie van glucose
De glycolyse levert 2 ATP moleculen per glucosemolecuul. Hiervoor is dus veel voedsel nodig voor weinig energie.
Gisting = het vormen van ATP door de glycolyse.

Bij glycolyse wordt energie overgedragen op NAD+, hierbij ontstaat NADH. Dit moet weer om worden gezet in NAD+.
Twee manieren
1. Alcoholgisting = PDZ omzetten in ethanol.
1C afsplitsen van PDZ. Hiervan wordt CO2 gevormd. Overige 2C’s worden ethanal. De ethanal wordt ethanol door het afsplitsen van de H+ ionen van NADH.
2. Melkzuurgisting = PDZ omzetten in melkzuur. Door het afsplitsen van de H+ ionen van het NADH wordt dit weer NAD+ en wordt het PDZ melkzuur. Zie afbeelding 75.
Optie 2 komt ook voor bij mensen en dieren, bij explosieve sporten geen tijd om glucose verder af te breken dan glycolyse. Ophopingen van melkzuur ontstaan. Dit wordt later afgevoerd naar de lever.

Dissimilatie van eiwitten
Eiwitten – aminozuren – amoniak + PDZ/ acetyl co-enzym A
Eiwitturnover = hergebruik van eiwitten. 80% is opgebouwd uit andere –afgebroken- eiwitten. Hiervoor wordt 15% van onze energie gebruikt.

Dissimilatie van vetten
Vetten – glycerol + vetzuren (lever) – glycerol wordt óf PDZ of glucose – glycogeen (energiereserve), vetzuren worden C2 afgesplitst – acetyl co-enzym A – CZC.
Aërobe dissimilatie van vetten levert veel energie vanwege het hoge gehalte H-atomen per gram.
Goed bekijken afbeelding 79.


Het respiratior quotiënt
Respiratior quotiënt is de verhouding tussen de verbruikte O2 en de uitgeademde CO2.

RQ = # afgegeven CO2 moleculen
Aantal opgenomen O2 moleculen
Als het aantal opgenomen O2 gelijk is aan het aantal CO2, zoals onderzoekers eerst dachten zou de verhouding 1 zijn. Dit blijkt niet zo te zijn,  er worden nog andere stoffen gedissimileert.
RQ vetten = 0.7
RQ eiwitten = 0.9
RQ gemiddeld bij mensen = .85

Het basale metabolisme
Basale metabolisme = alle stofwisselingsprocessen die in rust doorgaan. (grondstofwisseling). Deze wordt bepaald door de hoeveelheid verbruikte zuurstof in rust. Verschilt per persoon. Afhankelijk van geslacht, leeftijd, gewicht, lichaamstemperatuur, tijd van de dag en jaargetijde.
Poikilotherm = de lichaamstemperatuur is gelijk aan de omgeving.

Basisstof 6, kringlopen
Koolstofkringloop

Lucht bestaat voor 0.03% uit CO2
Producenten = autotrofe organismen die CO2 opnemen en er glucose en andere organische stoffen van maken. Land: planten. Zee: cyanobacteriën.
Consumenten = hetrotrofe organismen die leven van de autotrofe organismen.
Detritus = alle dode resten en andere afvalproducten van organismen. Deze resten worden weer verbruikt door sommige hetrotrofe organismen, en schimmels.
Reducenten = de schimmels en hetrotrofe organismen die de detritus opruimen.
Leren: afb. 81.

Stikstofkringloop
Lucht bestaat voor 78% uit stikstof.
Stikstof los uit de lucht kan niet worden benut, alleen in verbinding kan het verbruikt worden.
Stikstofassimilatie = het vormen van aminozuren en eiwitten uit nitraationen.
Leren: afb. 82
Denitrificerende bacteriën; leven zonder zuurstof, gebruiken bij dissimilatie nitraat als electronenacceptor, zetten nitraat om in stikstof.
Nitrogenase = een enzym wat N2 moleculen kan splitsen, waardoor bacteriën het stikstof uit de lucht wel kunnen benutten. N2 wordt gebonden aan H, waardoor NH3 ontstaat.
Bacteriën die dit eiwit bezitten komen voor op bepaalde planten (klaver) deze worden gebruikt als groenbemesting om de grond stikstofrijk te houden. Deze bacteriën maken een anaëroob deel in de cel, waar ze stikstof binden.

Fotochemische stikstofbinding = onweer bindt stikstof aan O3, hierdoor ontstaat nitraat. (NO3)