stofwisseling

• Biologie
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 5

Thema 3 Stofwisseling

B1

Chemie in cellen

Leerdoel

• Je kunt omschrijven wat stofwisseling, assimilatie en dissimilatie zijn en wat er bij deze reacties met de energie gebeurt.

Begrippen: stofwisseling, chemische energie, assimilatie, dissimilatie, koolstofassimilatie, voortgezette assimilatie, energiedragers, ATP, ADP, AMP, NAD+, NADP+, fosforylering

Stofwisseling

• Het geheel van chemische omzettingsprocessen in een organisme 
• Ook wel metabolisme genoemd
• Intensiteit basale metabolisme (ruststofwisseling): hoeveelheid zuurstof meten die een individu in rust verbruikt
• O.a. afhankelijk van geslacht, leeftijd, lichaamsgewicht

Organisch - anorganisch

Organisch:

• 
  groot, ingewikkeld gebouwd molecuul 
• bevat een of meer koolstofatomen, altijd H-atomen en vaak ook O-atomen
  
• afkomstig van organismen 

Anorganisch:

• kleine, eenvoudig gebouwde moleculen
• stoffen die zowel in organismen voorkomen als in de levenloze natuur.

Chemische energie

Energie in atoombindingen (zie ruimtelijk model van glucose)

Structuurformule

welke atomen zijn aan elkaar gebonden...

https:

Vormen van stofwisseling

Er zijn twee vormen van stofwisseling:

- dissimilatie (afbraak)

- assimilatie (opbouw)

Assimilatie en dissimilatie

Assimilatie

Assimilatie is het maken van organische stoffen uit kleinere moleculen

Bij fotosynthese wordt glucose gemaakt: koolstofassimilatie (B3).

Glucose is een groot molecuul, met C, H en O atomen.

Autotroof organisme

kunnen zelf glucose (organisch molecuul) maken uit CO2 en water (anorganische moleculen). 

Dit wordt koolstofassimilatie genoemd. Het proces fotosynthese is koolstofassimilatie met behulp van licht.

Heterotroof organisme

haalt zijn energie uit organische moleculen en is dus afhankelijk van andere organismen voor zijn voeding

Dit kan zonder zuurstof, maar gaat veel makkelijker met zuurstof

Dissimilatie

Het afbreken van grote organische stoffen tot kleinere moleculen is dissimilatie (B5). 

Dissimilatie is om energie vrij te maken voor celprocessen, zoals assimilatie of stoffentransport.

Koolstofassimilatie

Dissimilatie

Voortgezette assimilatie

Assimilatie

Heterotrofe organismen doen ook aan assimilatie (B4).

- eiwitsynthese

- glycogeen

- vetten

Omzetten van voedingsstoffen naar lichaamseigenstoffen is assimilatie.

Stofwisseling in cellen

Energiedragers

• Adenosinetrifosfaat (ATP)
• Adenosinedifosfaat (ADP)
• Adenosinemonofosfaat (AMP)
• Nicotinamide-adenine-dinucleotide (NAD+)
• Nicotinamide-adenine-dinucleotide-fosfaat (NADP+)

ATP

0

Welke stof is organisch?

1. glucose
2. water
3. ijzer
4. koolstofdioxide

Wat is geen organische stof?

1. Glucose
2. DNA
3. Koolstofdioxide
4. Vetzuur

Wat zijn de kenmerken van een organische stof?

1. Ze bevatten C/H/O-atomen
2. Het zijn relatief kleine moleculen
3. Ze worden gemaakt door organismen
4. Het zijn relatief grote moleculen

Welke van onderstaande antwoorden hebben betrekking op
an-organische stoffen?

1. Ze bestaan uit C/H/O-atomen
2. Ze komen uit de levenloze natuur
3. Het zijn relatief grote moleculen
4. CO2 is een organisch molecuul

Welke van onderstaande moleculen zijn anorganisch?

1. Eiwitten
2. ijzer
3. Keukenzout (NaCl)
4. Glucose

Welke van onderstaande moleculen
zijn organisch?

1. Koolhydraten
2. Aminozuren (bouwstenen eiwitten)
3. Mineralen
4. Vitamines

Vul in:

.......... + zuurstof --> energie + water+ koolstofdioxide

1. melkzuur
2. fotosynthese
3. verbranding
4. glucose

Welk van deze organismen is autotroof?

1. gorilla
2. goudvis
3. geranium
4. gierzwaluw

Het maken van glucose uit koolstofdioxide en water door autotrofe organismen heet ....

1. Assimilatie
2. Dissimilatie
3. Koolstofassimilatie
4. Voortgezette assimilatie

Bij dit proces is energie nodig.

1. Assimilatie
2. Dissimilatie

Hoe wordt het proces genoemd waarbij een energierijk ATP ontstaat door binding van een fosfaatgroep aan ADP?

Apo-enzym en co-enzym.

• Apo-enzym: het eigenlijke 'eiwit'-enzym (hier blauw).
  
• Co-enzym / cofactor: organisch / anorganisch molecuul dat nodig is voor de enzymwerking (hier rood).
  

Voorbeeld: een verteringsenzym

Enzymactiviteit

= Hoeveelheid substraat die per tijdseenheid wordt omgezet.

Hangt af van:

• Temperatuur
• Zuurgraad
• Substraat concentratie

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.

optimum pH

reactieversnellers van stofwisselingsreacties

gereedschappen van de cel

bij lichaamstemperatuur is het te koud om in een cel normaal gesproken reacties te laten plaatsvinden

reactiespecifiek

herbruikbaar

substraatspecifiek

substraat = stof die wordt bewerkt

pH in het maagdarmkanaal

optimumtemperatuur

3.3 koolstofassimilatie

fotoautotrofen

The purple sulfur bacteria (PSB) are part of a group of Proteobacteria capable of photosynthesis, collectively referred to as purple bacteria. They are anaerobic or microaerophilic, and are often found in stratified water environments including hot springs, stagnant water bodies, as well as microbial mats in intertidal zones.[5] Unlike plants, algae, and cyanobacteria, purple sulfur bacteria do not use water as their reducing agent, and therefore do not produce oxygen. Instead, they can use sulfur in the form of sulfide, or thiosulfate (as well, some species can use H2, Fe2+, or NO2−) as the electron donor in their photosynthetic pathways.[5] The sulfur is oxidized to produce granules of elemental sulfur. This, in turn, may be oxidized to form sulfuric acid.

Wat is de formule van fotosynthese?

Welke BINAS tabel vind je informatie over fotosynthese?

fotosysteem 2 (PSII)

water splitst in zuurstof , waterstofionen en elekronen. (zuurstof verlaat de bladgroenkorrel en wordt eventueel gebruikt bij de dissimilatie)  Licht → Elektronen aangeslagen → transport van H+ over het membraan de bladgroenkorrel in  elektronen worden doorgegeven aan PSI.

Fotosysteem 1 (PSI)

Licht → Electron aangeslagen → transport van H+ over het membraan de cel in → concentratieverschil H+ ontstaat → als H+ de cel verlaat wordt NADPH,H+  gevormt → electron gaat terug naar chlorofyl.

Pak je BINAS erbij! 

TABEL 69B

Welke stof is de initiële elektronendonor in de lichtreacties?

1. ATP
2. NADP
3. water
4. zuurstof

Waarvoor gebruiken de enzymen in de elektronentransportketen de energie van de elektronen?

De enzymen gebruiken die energie om waterstofionen vanuit het stroma in het lumen te pompen.

Upload een plaatje waarin je kan zien wat fosforylering is.

Donkerreactie

6CO2 + 18ATP+12NADPH → C6H12O6 + 6 H2O

Pak je BINAS erbij! TABEL 69C.

koolstof vastleggen

3 x 5 C = 15 C

3 x 5 C = 18 C

6 x 3 C = 18 C

reductie

5 x 3 C = 15 C

regeneratie van de CO2 - acceptor: RuBp

3 x 5 C = 15 C

3 x 5 C = 15 C

LET OP: je hebt nu een 'halve' glucose!

Als in een experiment de donkerreacties worden geremd, wordt de niet-cyclische fotofosforylering ook snel geremd.

Waardoor zal deze remming worden veroorzaakt?

In afbeelding 3 (zie vraag 29) is een onderzoek weergegeven naar de zuurstof die ontstaat bij de fotosynthese. Bij een deel van het experiment bleek radioactieve zuurstof vrij te komen uit de planten. Hoe waren de radioactieve zuurstofatomen aan de planten toegediend?

Chemosynthese

Chemosynthese 

• Vorm van koolstofassimilatie 
• Energiebron = (zon)licht anorganische stof

Uitgevoerd door chemoautotrofe bacteriën

In je BINAS (tabel 69C) zie je dat er ook 6 H2O nodig is. Waarvoor zijn die nodig?

Bas 5 voortgezette assimilatie

leerdoelen:

• weten wat voortgezette assimilatie is
• weten hoe plantencellen van glucose andere koolhydraten, vetten en eiwitten maken
• weten hoe andere organismen koolhydraten, vetten en eiwitten maken

voortgezette assimilatie

opbouw koolhydraten

Een monosacharide bevat 5 of 6 C-atomen. Door een OH-groep is de monosacharide goed oplosbaar. Opgelost kan het molecuul als ring of als keten voorkomen. In een ring worden de C-atomen genummerd. C1 en C5 binden zodat een ring ontstaat.

Bij de koppeling van 2 monosachariden tot 1 disacharide komt water vrij, dit heet een condensatiereactie, water is nl een klein molecuul.

Polymerisatie is het koppelen van veel glucosemoleculen aan elkaar. Bij zetmeel wordt een spiraal gevormd. Zetmeel heet ook wel amylose.

vormen polysachariden

Eiwitopbouw bij planten

• Planten kunnen uit glucose en nitraat eiwit maken
• Soms ook sulfaat nodig
• nitraat en sulfaat via wortels opgenomen

Eiwitopbouw bij heterotrofen

• Dieren kunnen uit glucose geen eiwitten maken
• Kunnen wel eiwitten in aminozuren opdelen
• Hieruit worden andere aminozuren gemaakt
• Sommige kunnen dan nog niet gemaakt worden
• Die moeten via het voedsel binnen komen: essentiële aminozuren

algemene formule aminozuur

twee aminozuren koppelen

typen structuur eiwitten

tertiaire structuur is het gevolg van bindingen tussen aminozuren, vooral cysteïne die onderling zwavelbruggen aangaan.

Zwavelbrug bij tertiaire structuur

Vetten

• Worden ook wel lipiden genoemd
• Isolerende functie en reservebrandstof
• Vetten hebben geen invloed op osmotische waarde: bijna niet oplosbaar
• Energie-dichtheid is groot: 38,5 kJ per gram
• Vet als hormoon: steroïdhormoon

vorming vetmolecuul

fosfolipide

Glycolyse

 glucosemolecuul wordt in twee delen gesplitst -> 2x pyrodruivenzuur (C₃H₄O₃). In het cytoplasma en anaeroob.

Door naar mitochrondrium, kost energie!

citroenzuurcyclus

De anaerobe vorming van acetyl-co-enzym A

pyrodruivenzuur bindt aan co-enzym A

Koolstofioxide spitst af (decarvoxylering)

 

Acetylgroep gaat de citroenzuurcyclus in, bindt aan oxaalazijnzuur en vormt citroenzuur

De citroenzuurcyclus (zie binas!)

Citroenzuurmoceculen worden verder afgebroken tot CO2-moleculen en energierijke elektronen.

Verloopt anaeroob

www.bing.com

opbrengst oxidatieve fosforilering

NADHH levert 3 APT op

FADH levert 2 ATP op

totaal 34 ATP + 4 ATP uit citroenzuurcyclus en glycolyse

anaërobe dissimilatie

stap 1 - glycose 

stap 2 - alcohol gisting of melkzuurgisting 

Gisting

Anaerobe afbraak van koolhydraten

melkzuurgisting

alcohole gisting

verzuring

Melkzuur  in spieren

afgevoerd (lagere bloed-pH)

in lever:

2 melkzuur -> glucose

stap 1: glycolyse

= glucose omzetten in pyrodruivenzuur (pdz)

•  in het cytoplasma
  
•  kost activeringsenergie (2 ATP)
  
•  H+ en electronen worden vrijgemaakt bij de vorming van pdz
  
•  deze worden gekoppeld aan 2NAD+  (transportmolecuul) (2 NADH,H+)
  
•  er komt 4 ATP vrij >> dus netto een winst van 2 ATP
  

 

Er zijn nu 2 problemen op te lossen:

• Pyrodruivenzuur is giftig -> moet weg
  
• NAD+ zit vol H -> NADH,H+ moet weer NAD+ worden: waar blijft de cel met de H? (stap 4)

Er twee mogelijkheden:

aërobe dissimimilatie

anaërobe dissimimilatie

met O2

zonder O2

stap 2: zonder O2

De H+ en electronen van NADH2 worden gekoppeld aan PHZ -> melkzuur

• glucose -> PHZ  -> 2 melkzuur + 2 ATP

OF:

Eerst wordt CO2 afgekoppeld  (=decarboxylatie) van PHZ waarbij ethanal ontstaat, dat weer H+ en electronen van NADH2 overneemt: 

• glucose -> 2CO2 + 2 ethanal 
• 2 ethanal -> 2 ethanol + 2 ATP

Proces 1 en 2 leveren na de glycose geen extra ATP meer op; de opbrengst is dus 2 ATP!

N.B. aërobe dissimilatie leverde 36 ATP op

decarboxylering

alcohol gisting

brood, bier, wijn, etc.

melkzuur gisting

spieren bij langdurig sporten

anaërobe dissimilatie

• gisting genoemd
• levert totaal 2 ATP op uit glycolyse 
• in glycolyse gevormde NADH wordt omgezet in NAD+ dmv alcoholgisting of melkzuurgisting zodat glycolyse door kan gaan

mag je vergeten

X

Stap 4

Oxidatieve fosforylering

NADH,H+ en FADH2 staan energierijke elektronen af aan de binnenmembranen van mitochondriën voor de synthese van ATP.

Verloopt aeroob!

Energiearme elektronen en H+ binden aan zuurstof

Glycolyse in de Binas

Acetyl-co-enzyn A 

+ citroenzuurcyclus

Vorming van Acetyl-CoA en de citroenzuurcyclus vinden plaats in de matrix -> vloeistof omsloten door het membraan van de mitochondriën.

Voor de dissimilatie van één glucosemolecuul vinden alle reacties twee keer plaats.