Thema 1, Stofwisseling in de cel

1 Chemie in cellen

Stofwisseling (metabolisme) = het geheel van chemische omzettingsprocessen in een organisme. Een groot deel hiervan vindt plaats in de cellen. 

Organismen bestaan uit:

• organische stoffen: bevatten een of meer koolstofatomen (C), bevatten ook altijd een waterstofatoom (H) en meestal ook zuurstof (O). 
• anorganische stoffen: hebben geen C-H-binding. Ze bestaan uit kleine, eenvoudig gebouwde moleculen en bevatten weinig energie. Voorbeelden: water (H2O), koolstofdioxide (CO2) en zouten. 

Dissimilatie = de afbraak van grote organische moleculen tot kleinere moleculen. Energie komt vrij.

Assimilatie = de opbouw van organische moleculen uit kleinere moleculen. Energie is nodig.

• Koolstofassimilatie = de vorming van glucose uit koolstofdioxide en water. Alleen autotrofe organismen zijn hiertoe in staat.
• Voortgezette assimilatie = de vorming van koolhydraten, eiwitten en vetten uit glucose.

Voortgezette assimilatie en dissimilatie vinden plaats in autotrofe en heterotrofe organismen.

In cellen wordt chemische energie getransporteerd door ATP. ATP bevat drie fosfaatgroepen binnen deze bindingen is veel chemische energie opgeslagen. Als een fosfaatgroep van ATP wordt afgesplitst ontstaat ADP. ADP + fosfaatgroep → ATP, dit gebeurd in de bladgroenkorrels en mitochondriën.

2 Enzymen

Enzymen zijn eiwitten die chemische omzettingen katalyseren. Daarbij worden ze zelf niet verbruikt. De reacties nemen plaats in het actieve centrum, deze reacties kunnen 2 richtingen op gaan en zijn dus evenwichtsreacties. Ze worden in de ribosomen gemaakt op basis van erfelijke informatie. Substraat = de stof die door een enzym wordt gezet. Product = de stof die bij de reactie ontstaat. De naam van het enzym is vaak afgeleid van het substraat met het achtervoegsel –ase.     Het enzym urease bijvoorbeeld werkt in op het ureum.

De ruimtelijke vorm van het substraatmolecuul past precies in de ruimtelijke vorm van het enzymmolecuul (sleutel-slotprincipe). Het substraatmolecuul wordt op de bindingsplaats aan het enzymmolecuul gebonden. Hierdoor ontstaat een enzym-substraatcomplex, hierdoor kunnen bindingen tussen bepaalde atomen gemakkelijk worden verbroken en bindingen tussen andere atomen gemakkelijk tot stand komen. Het enzymmolecuul is na de reactie niet veranderd en kan zich weer binden aan een volgend substraatmolecuul. Enzymen zijn dus al in kleine hoeveelheden werkzaam.

Enzymactiviteit = de snelheid waarmee een enzym een reactie uitvoert. Deze kan worden uitgedrukt in:

• De hoeveelheid substraat die per tijdseenheid wordt omgezet.
• De hoeveelheid reactieproducten die per tijdseenheid ontstaat.

Temperatuur beïnvloedt de enzymactiviteit volgens een optimumkromme. De invloed op de enzymactiviteit is onomkeerbaar. Beneden de minimumtemperatuur is er geen enzymactiviteit. Bij stijgende temperatuur worden de botsingen tussen moleculen steeds krachtiger. Hierdoor kan bij sommige enzymmoleculen de ruimtelijke vorm veranderen en worden daardoor onwerkzaam, omdat ze niet meer op de substraatmoleculen passen. Boven de optimumtemperatuur hebben alle enzymmoleculen hun ruimtelijke vorm verloren. 

De enzymactiviteit is ook afhankelijk van de zuurgraad van de oplossing waarin de enzymatische omzetting plaatsvindt. Als een stof wordt opgelost in water, heeft de oplossing een zuurgraad (pH). Hoe zuurder de oplossing des te lager de zuurgraad. De ruimtelijke structuur blijft alleen bij de optimale pH in stand. De invloed van de 

pH is wel omkeerbaar.                                                                                               zuur ↓ 7

basisch ↑ 7

3 Fotosynthese

Fotosynthese = koolstofdioxide + water + lichtenergie → glucose + zuurstof

6CO2               + 6H2O                         → C6H12O6 + 6O2

Fotosynthese vindt plaats in bladgroenkorrels. Bladgroen = pigment dat lichtenergie kan absorberen (opnemen). Dit bevindt zich in cellen van planten, algen en sommige bacteriën. Lichtenergie wordt gebruikt voor de vorming van ATP en de splitsing van water in waterstof en zuurstof. Waterstof en ATP worden samen met koolstofdioxide gebruikt voor de vorming van glucose.

4 Voortgezette assimilatie

De energiebron van voortgezette assimilatie is ATP. Voortgezette assimilatie = de vorming van andere organische stoffen uit glucose. 

• autotroof: uit glucose worden o.a. koolhydraten, vetten en eiwitten gevormd.
• heterotroof: uit glucose worden alleen koolhydraten en vetten gevormd.

Assimilatie van koolhydraten

De moleculen van koolhydraten zijn opgebouwd uit: koolstofatomen, waterstofatomen en zuurstofatomen. Monosachariden zijn de kleinste koolhydraatmoleculen (bijv. glucose). Veel monosachariden samen vormen een polysacharide (bijv. zetmeel, glycogeen, cellulose). Disacharide = twee monosachariden die zijn verbonden (bijv. sacharose). De koolhydraatreserve = bij planten zetmeel en bij dieren glycogeen.

Assimilatie van eiwitten

Eiwitten bestaan uit aminozuren. Er zijn 20 verschillende aminozuren. De primaire structuur wordt bepaald door de typen aminozuren die erin voorkomen en de volgorde daarvan. De secundaire structuur of helix = de specifieke ruimtelijke vorm van het eiwit. Hierdoor kunnen verschillende eiwitten andere functies hebben zoals: enzymen, bouwstoffen in het cytoplasma, transportenzymen in membranen. 

Planten kunnen aminozuren opbouwen uit glucose en stikstofhoudende ionen, vooral nitraationen (NO3-). Dieren kunnen alleen aminozuren opbouwen uit andere aminozuren.

Assimilatie van vetten

Vetten worden ook wel lipiden genoemd. Een algemeen kenmerk van vetten is dat ze niet mengen met water. Veelvoorkomende vetten zijn triglyceriden. Een triglyceride bestaat uit een glycerolmolecuul en drie vetzuurmoleculen. Celmembranen zijn opgebouwd uit fosfolipiden, een fosfolipide bestaat uit een glycerolmolecuul, twee vetzuurmoleculen en een fosfaatgroep (deze is hydrofiel). Staarten van vetzuren zijn hydrofoob (waterafstotend). Alle organismen kunnen glucose omzetten in vetten. Bij mensen en bij warmbloedige dieren worden vetten opgeslagen in het onderhuidse bindweefsel. Ze worden gebruik als reservestof of hebben een warmte-isolerende functie.

De opslag van assimilatieproducten in planten kan dienen als reserve product. De omzetting van glucose in zetmeel voorkomt dat de osmotische waarde van bladcellen te veel stijgt.

5 Dissimilatie

Dissimilatie = verbranding, omzetten van energierijke grote moleculen tot kleine moleculen. Hierbij komt energie bij vrij. Dit wordt omgezet in o.a. 

• bewegingsenergie
• warmte
• elektrische energie
• lichtenergie
• chemische energie, die wordt opgeslagen voor de vorming van andere stoffen

Aerobe dissimilatie van glucose = verbranding. Hier is zuurstof voor nodig. Hoge energieopbrengst. Dit vindt plaats in de mitochondriën. Glucose + zuurstof → koolstofdioxide + water + ATP

                                  C6H12O6 +     6O2    →       6CO2       + 6H2O + 30 ATP

Anaerobe dissimilatie van glucose = gisting. Hier is geen zuurstof voor nodig. Lage energieopbrengst. Per glucosemolecuul worden slechts twee ATP-moleculen gevormd. Dit geeft energierijke eindproducten zoals alcohol of melkzuur. Bij alcoholgisting wordt glucose omgezet in alcohol (ethanol) en CO2. Bij melkzuurgisting wordt glucose omgezet in melkzuur. Dit vindt plaats in de spieren wanneer in korte tijd veel energie moet worden geleverd.

Aerobe dissimilatie van koolhydraten, eiwitten en vetten:

• koolhydraten: polysachariden → monosachariden
• vetten → vetzuren + glycerol, vetzuren en glycerol kunnen worden omgezet in andere stoffen en verbrand in de mitochondriën.
• eiwitten → aminozuren, hiervan wordt de aminogroep afgesplitst en omgezet in ammoniak. De overblijvende koolstofketen wordt omgezet in een andere stof en verbrand in de mitochondriën.

• 6 Intensiteit van de stofwisseling

Basale stofwisseling = de minimale stofwisseling die nodig is om deze processen op gang te houden. De intensiteit van de basale stofwisseling = de snelheid waarmee de basale stofwisseling plaatsvindt. Dit wordt uitgedrukt in geproduceerde milliliter O2 per minuut of verbruikte milliliter CO2. De intensiteit wordt. Dit kan worden bepaald door de hoeveelheid zuurstof te meten die een individu in rust verbruikt. Dit is afhankelijk van:

• geslacht
• leeftijd
• lichaamsgewicht
• lichaamstemperatuur: warmbloedige dieren hebben een min of meer constante lichaamstemperatuur, koudbloedige dieren hebben een lichaamstemperatuur min of meer gelijk aan de omgeving

De intensiteit van de fotosynthese wordt bepaald door de factor die het minst gunstig is = beperkende factor. Deze is afhankelijk van:

• de sterkte van het licht
• de kleur van het licht
• de beschikbare hoeveelheden koolstofdioxide
• de beschikbare hoeveelheden water
• de temperatuur
• de hoeveelheid bladgroen

Als een van de factoren niet aanwezig is, vindt er geen fotosynthese plaats.

Dit kan je meten door in het donker te meten: O2 opname (of CO2 afgifte). Door in het licht te meten: CO2 opname (of O2 afgifte).