Hoofdstuk 9: Energie om te leven.

Paragraaf 9.1: Chemische reacties.
Moleculen bestaan uit atomen. Moleculen kunnen onderling reageren, daarbij worden ze omgezet in andere moleculen. Tijdens de reactie worden de moleculen eerst in atomen ontleed. Uit die atomen worden andere moleculen gevormd.. Het aantal atomen verandert niet tijdens de reactie.
De totale massa is dus voor en na altijd hetzelfde. Dit wordt wel de wet van behoud van massa genoemd.
Waterstof en stikstof vormen ammoniak
Ammoniak splitsen: waterstom en ammoniak
Waterstom + stikstof →← ammoniak
Let op de dubbele pijl.
Deze twee reacties kunnen tegelijk verlopen. Wanneer de reacties met de zelfde snelheid verlopen, lijkt er alsof er niks gebeurt. De reacties zijn dan in evenwicht.
De snelheid van een chemische reactie wordt beïnvloed (reageren en botsen) door:
Verhoging van de concentratie van de reagerende deeltjes
Verhoging van de temperatuur

Paragraaf 9.2: Chemische energie
Als uit moleculen weer andere moleculen worden opgebouwd, wordt er energie uitgewisseld. Chemische bindingen moeten immers worden verbroken en opnieuw worden gevormd.
Wanneer er bij het verbreken van bindingen minder energie vrijkomt als bij het vormen van bindingen levert dit energie. Deze reactie is dan exotherm. → minder nodig, levert meer, maakt energie.
Wanneer er bij het verbreken van bindingen meer energie vrijkomt als bij het vormen van bindingen dan kost dit energie. Deze reactie is dan endotherm. → meer nodig, levert minder, kost energie.
Organismen hebben een energievoorraad nodig, omdat de vormen van natuurenergie niet altijd beschikbaar is.
Alles organismen gebruiken daardoor de energie die is opgeslapen in de chemische bindingen. We noemen dit chemische energie. Glucose is een belangrijk chemische energiebron.
De hoeveelheid chemische energie die een stof bevat hangt af van:
De soorten atomen waaruit de stof bestaat
De manier waarop deze ten opzichte van elkaar zijn gerangschikt
Bij een reactie treden veranderingen op in deze rangschikking. Bij een teveel aan energie wordt dit afgestaan door warmte of licht. Bij een tekort aan energie wordt meestal warmte, soms licht opgenomen.
De totale hoeveelheid energie blijft altijd constant. Dit heet de wet van behoud van energie.

Paragraaf 9.3: Verbranding
De bekendste reactie waarbij warmte wordt afgestaan:
Brandbare stof + zuurstof = verbrandingsproducten
Brandstoffen zijn organische stoffen.
De verbrandingsproducten bevatten minder energie dan de uitgangsstoffen. Er komt dus energie vrij (warmte en licht)
Brandstof moet meestal worden aangestoken. De energie die moleculen moeten hebben om te reageren heten activeringsenergie.
In alle levende cellen vindt in de mitochondriën verbranding plaats. De brandstof reageert met zuurstof. Deze reactie verloopt niet spontaan. De temperatuur is daarvoor niet hoog genoeg. Enzymen helpen de reactie op gang. Cellen zijn in staat een deel van de energie die bij de verbranding vrijkomt vast te leggen in een heel speciale energierijke molecule, genaamd ATP.


Paragraaf 9.3: ATP

Problemen die cellen hebben met verbranding:
1) Als de energie uit glucose in 1 keer vrij zou komen, zouden cellen er niet veel aan hebben. De temperatuur zou hoog oplopen en de cellen zouden doodgaan.
2) Veel reacties in cellen zijn endotherm: er moet energie worden toegevoegd.
Om deze problemen op te lossen beschikken cellen overeen bijzondere verbinding: ATP, de meest praktische energiebron in onze cellen.
Adenine + ribose (samen adenosine genoemd) + 3 fosforzuurresten  ATP
De bindingen tussen de fosforzuurresten bevatten veel energie. Deze energie komt bij het verbreken van deze verbindingen vrij. ATP kan worden afgebroken tot ADP+Pi of tot AMP+2Pi
In cellen zijn reacties die energie vragen meestal gekoppeld aan reacties waarbij chemische energie vrijkomt. De belangrijkste reactie in cellen is in dat opzicht de splitsing van ATP.
ATP. Energierijke verbindingen worden aangegeven met een rood streepje
ATP is gekoppeld aan reacties die veel energie opleveren (exotherm).
ATP is dus een belangrijk vervoermiddel van chemische energie. De ‘omzetsnelheid’ van ATP is hoog: in een mens wordt elke ATP-molecule per dag ca. 2400 maal opgebouwd en afgebroken.


Paragraaf 9.5: Enzymen
Functies van enzymen:
- Verlagen van activeringsenergie
- Versnellen van chemische reacties waardoor reacties bij lichaamstemperatuur ‘spontaan’ verlopen
- Enzymen zijn specifiek, iedere reactie heeft zijn eigen stof.
Co-enzymen:
- Een vorm op de enzym, geen eiwit.
Zonder enzymen zou de snelheid van reacties zo laag verlopen dat een organisme niet zou kunnen leven. Enzymen brengen de stoffen die met elkaar moeten reageren in een zodanige positie ten opzichte van elkaar dat de reactie makkelijker tot stand komt. Ze verlagen dus de activeringsenergie. Hun aan- of afwezigheid bepaalt of een reactie in een cel wel of niet kan verlopen. De geeft bovendien de mogelijkheid alle processen in de cel te controleren en te beheersen.
Enzymen zijn eiwitten met een speciaal structuur. Aan elk enzym bevinden zich 1 of meer plaatsten waar de reagerende stoffen (substraten) kunnen binden. De bindingsplaatsen zijn specifiek. Elk enzym kan dan ook maar 1 bepaalde reactie versnellen.
Stap 1: De binding van het substraat aan het enzym.
Stap 2: Er ontstaat 1 of meer producten.
Stap 3: De producten laten los van het enzym.
Stap 4: Het enzym kan zich opnieuw aan een substraat binden.
Bij het verhogen van de temperatuur neemt de reactie snelheid toe. Toch werken enzymen bij een bepaald temperatuur het best. Dat noemt men de optimumtemperatuur. Wanneer de temperatuur hoger is dan de optimumtemperatuur, gaat het enzym kapot. De optimumtemperatuur is niet voor alle enzymen dezelfde. Elk enzym is aangepast aan zijn omstandigheden en natuur.
Ook de zuurgraad waarbij het enzym het best werkt verschilt per enzym. De meeste enzymen hebben een pH-optimum rond pH7, de normale pH in cellen. Enzymen buiten de cellen zoals in bij de spijsvertering hebben vaak een andere pH-optimum. Zoals bij pepsine (enzym in de maag dat voor de vertering van eiwitten zorgt) werkt het best bij pH1-2.
Wanneer de pH te veel afwijkt van het pH-optimum, veranderen de waterstofbruggen tussen de eiwitketens. Dan gaat het enzym kapot. De meeste enzymen in ons lichaam werken het best bij een temperatuur rond de 37˚C en een neutrale pH.
Een reactieketen is een snel op elkaar volgende reeks reacties. Enzymen die daarbij betrokken zijn, zijn vaak verbonden tot enzymcomplexen. Veel enzymcomplexen zijn gebonden aan membranen of liggen ‘opgesloten’ in organellen. De enzymen voor de verbranding liggen in de mitochondriën, de enzymen die nodig zijn voor de fotosynthese liggen in de chloroplasten.
Alleen als een bepaald enzym in de cel nodig is wordt het betreffende gen ingeschakeld en komt de aanmaak van het enzym op gang. Welke enzymen dat kunnen zijn is vastgelegd in het DNA.
Als de afbraak in dierlijke cellen (dissimilatie) volledig is, blijven alleen koolstofdioxide en water over. Vaak worden deze stoffen in de cel niet volledig afgebroken. De afbraak stopt eerder en er blijven kleine organische stoffen over. Met behulp van deze moleculen kunnen de cellen precies die bouwstenen maken die ze nodig hebben. Ze gebruiken dus een deel van de vrijgekomen energie voor deze opbouw. Opbouwprocessen worden samengevat onder de naam assimilatie. Assimilatie en dissimilatie worden dus altijd aan elkaar gekoppeld.
Assimilatie = opbouwreactie: van kleine moleculen grotere moleculen maken (=endotherm)
Vb: (fotosynthese)
Dissimilatie = afbraakreactie: van moleculen kleinere moleculen maken (=exotherm)
Vb: (verbranding)
Voorbeelden:
ADP+ P  ATP = assimilatie
Glucose  zetmee = assimilatie
Eiwit  aminozuren = dissimilatie
2 glucose  maltose = assimilatie
Verbranding = aerobe dissimilatie
38 ADP + 38 P = 38 ATP
1 glucose molecule bevat 38 ATP
Bij volledige afbraak (dissimilatie) in dierlijke cellen blijft er water en koolstofdioxide over.
Bij onvolledige afbraak blijven er kleine organische stoffen over.
Planten met bladgroenkorrels. Kunnen zelf alle bouwstenen maken uit anorganische stoffen: water, koolstofdioxide en mineralen. Door fotosynthese vormen zij uit water en koolstofdioxide grotere energierijke moleculen: glucose, zetmeel. Uit de glucose en de opgenomen mineralen kunnen de cellen alle benodigde organische stoffen maken. Fotosynthese is dus een assimilatie proces, ze gebruiken hierbij energie van de zon. Ze zijn dus niet afhankelijk van andere organismen. Dit noemt men autotroof (autos = zelf, trofein = voeden). De energie voor de andere assimilatieprocessen in de cel wordt geleverd door de verbranding van glucose.
Een deel van de plant zijn zelfgemaakte energie gebruikt hij dus zelf. Een ander deel is beschikbaar voor andere organismen die niet in staat zijn lichtenergie op te zetten in chemische energie. Zij eten dus de planten op om aan energie te komen door afbraak van koolhydraten, eiwitten en vetten. Dit noemt men heterotroof  organismen die voor hun energiebehoefte afhankelijk zijn van andere organisme (hetero = andere).

Paragraaf 9.7: Aërobe en anaërobe dissimilatie.
Aangezien de chemische energie geleidelijk wordt opgeslagen kan de cel er goed van profiteren. Door het geleidelijke verloop is de cel in staat een ander deel in de vorm van ATP te behouden.
De volledige afbraak van glucose met behulp van zuurstof levert 2881kJ/mol. Ongeveer 40% hiervan wordt gebonden in ATP.
De afbraak met behulp van zuurstof wordt aerobe genoemd dissimilatie genoemd. (aerobe = in aanwezigheid van zuurstof).
Wanneer er geen zuurstof is (anaerobe) kan glucose maar gedeeltelijk worden afgebroken.
Zuurstof  aerobe  in de mitochondriën bij glucose zijn de eindproducten: water en CO2
Geen zuurstof  anaerobe  glucose wordt gedeeltelijk afgebroken  energierijke eindproducten blijven over (melkzuur of ethanol)  wordt minder ATP gevormd
Melkzuurbacteriën zetten de voedingstoffen om in andere stoffen. Dat levert hen o.a. energie op om van te leven. Ze vormen bij deze anaerobe dissimilatie zoveel melkzuur dat de zuurgraad snel beneden pH5 daalt. Het voedsel is langer houdbaar omdat veel andere bacteriën niet kunnen leven bij pH5
Gistcellen zijn zowel onder aerobe als anaerobe omstandigheden in staat glucose af te breken.
Anaerobe: ethanol als eindproduct = alcoholische gisting
Veel schadelijke micro-organismen (schimmels en bacteriën) maken geen kans door de gevormde alcohol. Bacteriën zijn gespecialiseerd in het afbreken van organische stoffen.
Glucose
↙A ↓B ↘C
Ethanol+ CO2 Co2+Water Melkzuur
A: Alcoholische gisting (anaerobe)
B: Aerobe dissimilatie
C: Melkzuurgisting (anaerobe)
Wasmiddelproducenten gebruiken bacteriën als enzymfabriekjes. Enzymen worden geoogst en in wasmiddelen gestopt.


Paragraaf 9.8: Fotosynthese

Het Chlorofyl is een pigment op een blad dat lichtenergie opneemt (voor fotosynthese). Bij de eukaryoten(planten, schimmels en dieren) bevindt het chlorofyl zich in de chloroplasten(bladgroenkorrels). Ook sommige prokaryoten (bacteriën) bezitten chlorofyl, maar niet in aparte organellen.
De fotosynthese bestaat uit 2 reactieketens.
1) waarbij je licht nodig hebt: de lichtreactie
2) onafhankelijk van licht: de donkerreactie
De enzymen die bij deze reactieketens betrokken zijn bevinden zich in de chloroplast.
In de lichtreactie wordt licht opgenomen door het chlorofyl in de chloroplasten. De lichtenergie wordt omgezet in ATP: water wordt gesplitst in waterstof en zuurstof. De zuurstof komt vrij, waterstof wordt gebruikt in de donkerreactie.
Donkerreactie: waterstofatomen + koolstofdioxide = glucose. De energie die hiervoor nodig is wordt geleverd door de ATP uit de lichtreactie.
Reactiesnelheid van fotosynthese hangt af van:
- lichthoeveelheid
- beschikbare hoeveelheid koolstofdioxide
- beschikbare hoeveelheid water
- temperatuur

Paragraaf 9.9: Gebruik van glucose

De gevormde glucose kan door een plant voor een aantal doeleinden worden gebruikt:
- als bouwstof
- als brandstof
- als reservestof
Glucose als bouwstof:
Glucose verlaat de chloroplast en wordt in de cel gebruikt voor de productie van een groot aantal verschillende stoffen: andere koolhydraten, aminozuren, vetten. Voor de opbouw van de meeste stoffen is er naast glucose ook een aantal mineralen nodig.
Glucose als brandstof:
De glucose vastgelegde chemische energie wordt vrijgemaakt bij de verbranding en opgeslagen in de vorm van ATP. ATP wordt gebruikt voor allerlei energievragende processen.
Glucose als reservestof:
Het overschot aan glucose wordt omgezet in sacharose. Dit wordt getransporteerd naar alle delen in de plant die niet tot fotosynthese in staat zijn. Wanneer er meer sacharose wordt gemaakt dan dat er kan worden afgevoerd, wordt het teveel tijdelijk in het blad in de vorm van zetmeel opgeslagen. In bepaalde delen van de plant wordt een reservevoorraad zetmeel aangelegd (wortels, zaden, knollen, bollen).
Gebruik van planten
De delen waarin reservevoedsel in de plant is opgeslagen is voor de mens belangrijk.
Veel zaden zijn rijk aan eiwitten/zetmeel en vetten, bladeren en vruchten bevatten vitaminen.
Geur- en smaakstoffen en geneeskrachtige stoffen maakt het ook aantrekkelijk voor de mens.
Veel van deze stoffen zijn giftig, soms al in lage concentratie. Bijvoorbeeld nicotine (tabaksplant), cafeïne (ui de bessen van de koffieplant) kinine en morfine.
Ook stoffen waarvan je gaat hallucineren (drugs) zijn afkomstig van planten. Bijvoorbeeld LSD en marihuana.
Veel van de genoemde stoffen worden in bepaalde nauwkeurige vastgestelde doses ook als geneesmiddel gebruikt. Zoals bestandsdelen van vingerhoedskruid en wilgebast. Medicijnen worden tegenwoordig meestal in fabrieken gemaakt. De studie van de planten is van groot belang geweest voor de ontwikkeling van medicijnen.

REACTIES

Log in om een reactie te plaatsen of maak een profiel aan.