Upload
lephuc
View
214
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Biochemie A - metabolisme
2. Wat is metabolisme ?
o Experiment : condities, remmers van andere reacties → evenwicht in condities, in vivo/vitroo cel~orkest: enzymen=metabole spelers, metabolieteno metabole flux en regeling zijn heel belangrijk, !! opgelet voor mutaties
2.1 Wat is metabolisme?
o = Het collectief van chemische reacties in een levend organisme, dat als doel heeft om dat organisme gezond te houden. Met gezond worden bedoeld: een normale ontwikkeling, voortplanting en leven
o Evolutie heeft geleid tot diepgaande integratie en samenspel van alle reacties in het lichaamo Homo sapiens heeft zich weten aanpassen aan ≠ omstandigheden en soorten voedsel →
metabolisme moet zich nu minder aanpasseno Metabolisme: katabolisme (energiegenererend) en anabolisme (energievragend), metabole paden
(aaneenschakeling van chemische reacties), enzymen als katalysatoren.o Centrale gegevens: 1. Genereren van voldoende nuttige energie, 2. Verzamelen van alle nuttige
bouwsteneno Energieverbruik: 1. Basaal metabolisme/basale metabole snelheid: onderhoud van de
levensfuncties, 2. Nodige energie om voedsel te verteren, op te nemen en te assimileren, 3. Energie uitgegeven door skeletspieren
o Basaal metabolisme: 60% van de energie uitgave door lever, hersenen, nieren en hart. (mechanische arbeid, ionenpompen en chemische synthese). Natuur: soms in slaaptoestand indien niet genoeg voedsel, vb. slangen en spinnen
2.2 Metabolisme is een groot actieterrein
o Parasieten: profiteren van de metabole inspanningen van de gastheero 25% van de genen met bekende functie dienen om metabolisme in goede banen te leiden + nodige
flexibiliteit rond voedsel/geen voedsel (! In elk organisme, vb. gist, rijst, mens, …)o Pubmed: 25% van de ±20 miljoen artikelen gaan over metabolismeo Gemiddeld gen: 10 ≠ eiwitvarianteno Gene Ontology-classificatie: functioneel indelen van genoom
2.3 Metabole paden
o Metabole landkaart: veel structuur, logisch geheelo Metabole weg: elke reactie kent zijn plaats, fluxbepalende stap in het begin
2.4 Metabole flux
o = De hoeveelheid moleculen van een bepaalde metaboliet die per tijdseenheid per cel langs een bepaald punt van het metabole pad passeert. (= fysica)
o Meest relevante metabole parametero Relevante factoren: concentratieverschillen substraat/reactieproduct, diffusieafstand,
toegankelijkheid, beschikbaarheid en mate van activiteit van enzymen → fluxbepalende enzymeno Metabole flux ~ flux van water in een rivier, ~ flux van het wegverkeer: rijvakken ~ aanwezige
enzymmoleculen, reglementering ~ activiteit van enzymmoleculen ;
2.5 Anabole en katabole wegen1
o Vb: synthese van basen of cholesterol (zuiver anabool), oxidatieve fosforylering, proteolyse van EW gevolgd door de oxidatie van aminozuren tot CO2 (zuiver katabool), krebs-cyclus (zowel anabool als katabool)
o Meest gebruikte brandstoffen: koolhydraten, lipiden.o Koolstofatomen worden geoxideerd tot CO2 (~ kachels, motoren, turbines)o Verschil met kachels: 1. Cel gaat verbrandingsproces opdelen in stapjes, 2. Aanzienlijke chemische
activeringsenergie van kachel niet toepasbaar dankzij efficiënte katalysatoren, 3. Vorming energierijke elektronen (NADH, FADH2) in plaats van warmte
o Hoe lager de oxidatietoestand van C-atomen, hoe meer energie eruit te halen valt, dus er valt meer energie te halen uit lipiden dan uit koolhydraten
o Dieren: strategische voorraad triglyceriden (hoogste energierendement/kg)o Vertering van macromoleculen: primitief (net buiten celmembraan), hoger (spijsverteringsstelsel);
Eukaryoten: lysosomen voor verouderde bestanddelen van de celo Voorkomen van autodigestie: afscheiding verteringscompartiment door lipidenmembraano Hydrolasen: proteasen, lipasen, saccharidaseno Fase 1: Glycogenolyse: in cytoplasma, afbraak van glycogeeno Fase 2: Door de vertering gevormde bouwstenen metabool convergeren tot acetyl-Co-enzym A
(acetyl-CoA): Partiële oxidatie van de brandstof, weinig directie ATP-productie.Suikers → pyruvaat (glycolyse) → acetyl-CoAAminozuren → alfa-ketozuren (via transaminasen) → acetyl-CoAVetzuren → acetyl-CoA (via bèta-oxidatie)
o Fase 3: acetyl-CoA → CO2 (Krebs-cyclus). Weinig ATP-productie, wel energierijke elektroneno Fase 4: oxiderend vermogen van energierijke elektronen → oxidatieve fosforylering (enkel deze fase
strikt katabool)o Bijzonder katabolisme: afbraak cholesterol→galzouten, haem→bilirubine, purinen→urinezuur
(worden zo uitgescheiden)o Anabole wegen: biosynthese van macromoleculen; benodigdheden: bouwstenen, energie,
reducerend vermogen (bouwstenen zijn meestal geoxideerd)o NADPH < oxidatieve fase van de pentosefosfaatwego Essentiële voedingsstoffen zijn voedingsstoffen die moeten worden opgenomen via de voeding
2.6 Ribonucleotiden als metabole dragers
o ATP (adenosine-5’-trifosfaat): drager chemische energie, bevat 2 energierijke fosfaatgroepeno Energie komt vrij bij een exergonische reactieo Andere “nuttige” adenineribonucleotiden: NADH, NADPH, FADH2: energierijke elektronen
acetyl-CoA: geactiveerde acylgroepen
2.6.1 ATP
o Universele drager van chemische energie, hydrolyse van γ-fosfaatgroepo Exergonisch: 30-40 kJ/mol; vb: koppeling aan een endergonische chemische reactie, energierijke
conformatie opleggen, mechanische arbeid, pompen tegen een concentratiegradiënt ino Katabolisme genereert precies zoveel ATP als nodigo Ontstaan: 90% in binnenste mitochondriale membraan (oxidatieve fosforylering), 10% fosforylering
op substraatniveau (ADP+P) (vb. fosfo-enolpyruvaat→pyruvaat; creatinefosfaat + ADP→creatine + ATP, aanwezig in skeletspieren en zorgt voor snelle ATP-synthese bij contractie)
o Hoge energiepotentiaal van ATP: 1. Dichte toenadering van elkaar afstotende negatieve ladingen, 2. Beperking van resonantie in de buitenste elektronenwolk (vb. fosfocreatine vs. creatine: fosfor → guanine)
2
o Functie: energie voor anabole paden, onderhoud van ionengradiënten, mechanische arbeid, secretie
o Mens van 70kg: 100 mol ATP/dag (=50kg ATP). Totale voorraad is ±100g → recyclage ATP elke 3 minuten
o Recyclage: essentie krebs-cyclus, ureumcyclus, redoxcycli (NADH, FADH2) en salvage pathway (basen, membraansfingolipiden), ijzer
o 10 miljoen moleculen ATP per cel per secondeo ATP gaat 2e wet van de thermodynamica (streven naar entropie) tegen: katabolisme schept
wanorde, anabolisme schept orde
o ∆G=∆G° '+2,3 RTlog [C ] [D ][ A ][B ]
voor A+ B → C + D
o Reactie verloopt spontaan als ∆G < 0o Evenwicht wordt nooit bereikt in een levende cel, want continue flux van metabolieteno Belang koppeling hydrolyse ATP aan endergonisch proces
2.6.2 NADH, NADPH en FADH2
o Elektronendragers: nicotinamide-adeninedinucleotiden en flavine-adeninedinucleotideo Energierijke elektronen worden opgeslagen in de ringen in de vorm van geconjugeerde dubbele
bindingeno Opname van een elektronenpaar verlaagt de mogelijkheid van resonantie in de buitenste wolk.
Hierdoor zijn de elektronen energierijko Goede reductoren (co-enzymen) → redoxreacties worden gekatalyseerd door dehydrogenasen
(verbranding van suikers, vetzuren en aminozuren)o Vb: krebs-cyclus, β-oxidatie van vetzureno Energierijke elektronenparen van NADH en FADH2 worden tijdens de oxidatieve fosforylering
afgegeven aan O2 in de mitochondria. De hierbij bekomen energie wordt gebruikt voor ATP-productie
o NADP+→ NADPH door 3 dehydrogenasen. (functie: voldoende NADPH voor reductieve biosynthese)dus elektronen niet afgegeven aan O2 in mitochondria, maar wel als reducerend vermogen in anabole paden Vb: vetzuur-, cholesterolsynthese, productie van glutathion (GSH)
o GSH: bescherming cellen tegen oxidatieve schade van zuurstof en andere oxidantia
2.6.3 Co-enzym A
o Drager van geactiveerde acyl-groepeno Structuur: pantotheenzuur (B-vitamine), zwavelatoom (aanhechting acylgroep via energierijke thio-
esterbinding)o Vb: acetyl-Co-enzym A: acetylgroep afkomstig van pyruvaat- of vetzuuroxidatie; acyl-CoA:
geactiveerde vetzureno HMG-CoA: vertrekpunt cholesterolsynthese en ketogeneseo Acylcarrierproteïne: zwavelhoudend deel via pantotheenzuur verbonden aan een
aminozuurzijketen van vetzuursynthase (vetzuursynthese)
2.6.4 Andere dragers
o Uridinedifosfaat: drager geactiveerde monosachariden (glycogeensynthese, opbouw suikergroepen van glycoproteïnen en –lipiden)
o Cytidinedifosfaat (CDP): soortgelijke rol in synthese van membraanlipideno Afgeleiden vitamine B-groep: vaak co-enzym of cofactor
Vb: TPP (thiaminepyrofosfaat) draagt aldehyden, tetrahydrofolaat&biotine dragen beide C1-units
3
B2 (riboflavine): voorloper van FAD, nicotinezuur: voorloper NADH, NADPH, pantotheenzuur: voorloper CoA
2.7 Het metabolisme wordt intensief geregeld
o Metabolisme moet zich foutloos en krachtig aanpassen aan veranderende omstandighedeno Regeling via fluxbepalend enzym in snelheidsbeperkende stapo Belangrijkste regeling: 1. Hoeveelheid enzymmoleculen per cel (genexpressie), 2. Enzymactiviteit
van reeds bestaande moleculen (allosterie of covalente modificatie), 3. Toegankelijkheid van het enzym tot de metabole route
2.7.1 Regeling van de hoeveelheid parallel werkende enzymmoleculen
o Vergelijking met verkeero Totale aantal enzymmoleculen per cel op een bepaald tijdstip, balans afhangend van: 1. Aanmaak
van nieuwe enzymmoleculen via genexpressie (snelheid van transcriptie, stabiliteit mRNA, snelheid van translatie door microRNA), 2. Afbraak van bestaande enzymmoleculen (aanmaak van een protease vb. ubiquitine)
o Expressie van HMG-CoA-reductase: regeling cholesterolsynthese
2.7.2 Regeling van de enzymactiviteit
o Door 1. Covalente regelmechanismen (allosterie, transities van de enzymstructuur door activatoren en inhibitoren op afstand van de katalytische site), 2. Covalente veranderingen van de eiwitstructuur (enzym(de)fosforylering door proteïnekinasen&-fosfatasen, vb. fosfofructokinase, glycogeenfosforylase), 3. Zowel 1 als 2, vb. pyruvaat-dehydrogenase-complex, 4. Irreversibel (vb. activering spijsverteringsenzymen)
o Feedbackinhibitie: allosterische inhibitoren als eindproducteno Sleutelmetabolieten: op kruispunten van metabole wegeno ADP, AMP: stimulatie, ATP: remmingo Energy charge van een cel: ontlading (katabolisme geactiveerd, anabolisme geremd) en oplading
(katabolisme geremd, anabolisme geactiveerd), normaal gestabiliseerd rond 0,9
o Energy charge=[ATP ]+ 1
2[ ADP]
[ATP ]+ [ADP ]+[AMP]o Verklaring energy charge: regelknoppen van oxidatieve decarboxylering, krebs-cyclus en oxidateive
fosforyleringo Kleine veranderingen in de energy charge hebben grote effecten op de flux door anabole en
katabole wegen
2.7.3 Regeling van de toegankelijkheid van het enzym voor het substraat
o Glucoseopname door skeletspieren door insuline bepaalt de flux van het verdere glucosemetabolisme
o Translocatie van glucokinase (fluxgenererend enzym in de kern van levercellen) tussen de maaltijden, dus op een moment waar de glycolyse niet actief mag werken
2.7.4 Beperken van diffusieafstanden en ongewenste reacties
o Afhankelijk van concentratiegradiënt en diffusieafstand, enzymen moeten dicht bij elkaar zitten om te vermijden dat andere enzymen gaan interfereren → multifunctionele enzym en metabolon
4
o Multifunctioneel enzym: 1 polypeptidenketen, verschillende actieve sites (vb. vetzuursynthase (FAS)), ‘assembly line’
o Metabolon: enzymen die na eiwitsynthese zeer dicht bij elkaar liggen in quaternaire structuur door niet-covalente interacties (vb. pyruvaatdehydrogenase-complex (PDH-complex))
o Gecombineerd: purinosoom verantwoordelijk voor de novo-purinesynthese
2.7.5 Verdeling van metabole paden over celcompartimenten
o Compartimentalisatie: permanent gescheiden zijn van metabole paden door lipidenmembraneno Katabole en anabole paden kunnen in theorie omgedraaid worden, maar in de praktijk zijn het
andere enzymen, vb. glycogeenafbraak/-opbouw: snelheidsbeperkend enzym afbraak (fosforylase) en opbouw (glycogeensynthase)
o Onafhankelijkheid van de regeling, uitgesprokener indien paden fysisch van elkaar gescheiden zijno Elke celorganel bezit zijn eigen biochemische en biologische specialisatie. 1. Mitochondriën: aerobe
verbranding van suikers, vetten, aminozuren, ATP-productie; 2. GER: vetzuursynthese; 3. Cytoplasma: glycogeenmetabolisme (in glycogeengranulen); 4. Ribosomen: eiwitsynthese; 5. Kern: DNA- en RNA-synthese; 6. Cytosol: glycolyse, grootste deel gluceogenese
o Transport van polaire metabolieten doorheen de grenzeno Verdere compartimentalisatie: weefsels en organeno Lever is metabool het meest veelzijdig: beheren van glucosevoorraad, afbraak&synthese van
aminozuren, aanmaken van lipoproteïnen, uitscheiden van afvalstoffen of lichaamsvreemde stoffeno Vetweefsel: opslaan triglyceriden
2.8 Aangeboren metabole ziekten
o = inborn errors of metabolismo Mutatie in een enzymcoderend gen: Mendeliaans recessief, dominant of X-gebonden
overervingspatroono Door de mutatie ontstaat een functioneel tekort: gecodeerd eiwit is afwezig, inactief of storend
voor andere enzymeno Flux wordt op een bepaalde plaats gewijzigd/verminderdo Substraten stapelen zich stroomopwaarts op, tekort aan producten stroomafwaartso Gewijzigde metabole toestand uit zich in slecht functioneren of afsterven van cellen, weefsels,
organeno Oorzaak fenotype: klachten, symptomeno Veel mutaties zijn nooit waargenomen of beschreven, want vaak is individu niet levensvatbaaro Mutatie kan soms ook een voordeel zijn, vb. glucose-6-fosfaatdehydrogenasedeficiëntie →
beschermd tegen malaria indien 1 mutant allelo Snelle diagnose is belangrijk voor aangepast dieet van patiënt, sommige ontbrekende enzymen
kunnen als recombinant DNA-product worden toegediend vb. ziekte van Pompe, ziekte van Gaucher
o Defecte gen vervangen door een nieuw: gentherapie
2.9 Metabool onderzoek
o Karl Poppero Verschil in vivo en in vitroo Metabolomics, nutrigenomics
2.10 Metabolisme op het internet
5
o Pubmed, OMIM, KEGG, Cell Metabolism, The journal of Biological Chemistry, Proceedings of the National Academy of Sciences, PLoS ONE
3. Glycolyse
o Gistcellen: glycolyse tot alcoholische fermentatieo Mens: melkzuurgistingo ATP ontstaat hier door fosforylering op substraatniveau (anaerobe glycolyse)o Aerobe glycolyse: mitochondria
3.1 Een oude heirbaan afgelijnd met wetenschappelijke mijlpalen
o Metabole flux van de glycolyse is aanzienlijk en sterk regelbaaro Oxidatieve fosforylering: 90% van ATP-behoefte (pas nadat O2 in atmosfeer en oceanen kwam)o Tot 150j geleden: vitalismeo 1600: verschil anorganisch en organiscjo Pasteur: eerste bestudering van alcoholische fermentatieo Gebroeders Buchner: alcoholische fermentatie ook mogelijk in celvrij extracto In menselijk lichaam: niet enkel organische scheikunde
3.2 Overzicht van de glycolyse
o Glycolyse in zijn geheel in cytoplasma (10 enzymatische reacties)o D-glucose 2 pyruvaatmoleculen (anaeroob)o Fosforylering op substraatniveau: laag rendemento Stadium 1: Van glucose naar fructose-1,6-bifosfaat. 2 ATP/glucose om metabolieten te activeren.
Niveau van hexosefosfateno Stadium 2: Van fructose-1,6-bifosfaat tot glyceraldehyde-3-fosfaat. Hexosebisfosfaat 2
triosefosfaten (dihydroxyacetonfosfaat, glyceraldehyde-3-fosfaat)o Stadium 3: Van glyceraldehyde-3-fosfaat naar pyruvaat. Netto winst van 2 ATP door transfer van
energierijk P op ADP. 1ste transfer: oxidatie waarbij elektronenpaar van triosefosfaat NAD. 2de
transfer: verplaatsing van overblijvende P-groep en onttrekken van H2O
3.2.1 Glucoseopname in de cel
o Spontane diffusie door glucosetransporters (GLUT’s), voornamelijk GLUT1 in alle weefsels, hersenen: GLUT3
o GLUT2: gespecialiseerde cellen, vb. levero Darmmucosa en niertubuli: Na+/glucosetransporters (tegen glucosegradiënt in, met Na+-gradiënt)o Na+-gradiënt door natrium-kaliumpompen aangedreven door ATP-hydrolyseo Intracellulaire glucoseconcentratie superieur aan bloed GLUT2 aan basale pool van die cellen om
glucose van epitheel naar bloed te laten diffundereno Glycosurie: te veel glucose in urine foor slechte resorptie (symptoom van diabetes)o Β-cellen van pancreas: hoge expressie GLUT2/GLUT1 vrijwel onmiddellijk evenwicht tussen
extra- en intracellulaire glucoseconcentratie (productie insuline indien concentratie bloedglucose te hoog)
6
o GLUT4: skeletspieren en vetweefsel. Insulineconcentratie in het bloed laag: wachten in endosomen (geen expressie). Bloedinsulinespiegel hoog: expressie in lipidenmembraan opname glucose in spier- en vetcellen. (regeling flux door conditionele beschikbaarheid van fluxcontrolerend EW)
3.2.2 Het chemische mechanisme van de glucolyse
o 1. Glucosefosforylering . Glucose + P glucose-6-fosfaat (kan niet door GLUT-kanalen) door hexokinase met 1 ATP. 4 iso-enzymen: hexokinase 1, 2, 3 (in bijna alle cellen, lage Km), 4: glucokinase (lever, pancreatische B-cellen, speciale glucosemetende cellen van de hypothalamus)
o 2. Isomeratie van glucose-6-fosfaat naar fuctose-6-fosfaat . Door glucosefosfaatisomerase, omkeerbaar
o 3. Fosforylering van fructose-6-fosfaat naar fructose-1,6-bifosfaat . Door fosfofructokinase-1 met 1 ATP, onomkeerbaar, intens geregeld door allosterie
o 4. Vorming van triosefosfaten . Splitsing van fructose-1,6-bifosfaat in glyceraldehyde-3-fosfaat en dihydroxyacetonfosfaat door aldolase. Glyceraldehyde-3-fosfaat: middelste C-atoom chiraal (D-)
o 5. Isomeratie van dihydroxyacetonfosfaat naar glyceraldehyde-3-fosfaat . Door triosefosfaatisomerase, bij evenwicht 20/1 (verschil reactie-evenwicht en flux)
o 6. Gecombineerde oxidatie en fosforylering van glyceraldehyde-3-fosfaat . Oxidatie van aldehyde tot carboxylgroep, carboxylgroep veresterd met vrije fosfaat tot 1,3-bifosfoglyceraat. Door glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase (GADPH, vaak referentiegen naast B-actine), omkeerbaar ook al is optelsom van energieveranderingen vrijwel 0.
o 7. Eerste fosforylering op substraatniveau met vorming van ATP en 3-fosfoglyceraat. Belangrijke interne energieoverdracht, door fosfoglyceraatkinase. Fosfoglyceraatkinase + glyceraldehyde-3-fosfaatdehydrogenase: glyceraldehyde-3-fosfaat + NAD+ + ADP 3-fosfoglyceraat + NADH + ATP
o 8. Herschikking van fosfaat van 3-fosfoglyceraat naar 2-fosfoglyceraat . Door fosfoglyceromutase, fosfaatester naar midden molecuul, via intermediaire 2,3-bifosfoglyceraat (2,3-BPG: krachtige allosterische regulator in RBC)
o 9. Onttrekken van water aan 2-fosfoglyceraat; met vorming van een energierijke enolverbinding. Door enolase, met vorming van fosfo-enolpyruvaat (PEP), Epot van fosfaatgroep stijgt door onttrekken van H2O (tautomerie ketonen en enolconfiguratie, niet bij fosfaatester op C2).
o 10. Tweede fosforylering op substraatniveau met vorming van ATP en pyruvaat . Door pyruvaatkinase, totale reactie exergonisch, E(fosfaatester in PEP) >> (γ-fosfaatgroep ATP)
o 7 van de 10 reacties zijn goed omkeerbaar (concreet: gluconeogenese)o Nettowinst: glucose + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2pyruvaat + 2ATP + 2NADH + 2H+
o ATP-bilan per glucosemolecuul: -1 ATP bij glucose glucose-6-fosfaat-1 ATP bij fructose-6-fosfaat fructose-1,6-bifosfaat+2 ATP bij 1,3-BPG 3-fosfoglyceraat+2 ATP bij PEP pyruvaat
3.2.3 De verdere metabole bestemming van pyruvaat
3.2.3.1 Alcoholische fermentatie (ethanolgisting)o Anaeroob, door gisteno Pyruvaat acetaldehyde + CO2 door pyruvaatdecarboxylaseo Acetaldehyde + NADH ethanol + NAD+ door alcoholdehydrogenase (reductie)o Nettoresultaat glycolyse + alcoholische fermentatie:
glucose + 2Pi + 2ADP 2ethanol + 2CO2 + 2ATPo S. Cerevisiae en S. Pombe : productie soort chemisch afval dat concurrerend leven remto Mens: alcoholdehydrogenase (ADH) is familie van 5 zinkproteïnen behorend tot een MDR-
superfamilie. ≠ etnische groepen ≠ enzymkinetiek ≠ alcoholtolerantie7
o Acetaldehyde-dehydrogenase (ALDH): ADH sneller van ALDH opstapeling acetaldehyde kater
o Ethanol levert overschot aan NADH in de lever + acetyl-CoA leversteatoseo ADH: Vitamine A: retinol retinaldehyde
3.2.3.2 Melkzuurgisting
o
7. Vetzuur- en cholesterolsynthese
o Opbouw van vetzuren: geactiveerde bouwstenen (vetzuren: malonyl-CoA, cholesterol: isopentenylpyrofosfaat IPPP), NADPH als reducerend vermogen
o Acetyl-CoA nodig als vertrekpunt van geactiveerde bouwsteen, activering kost ATPo Synthese=polymerisatie van geactiveerde bouwsteneno Mitochondria → cytoplasma → ERo Acetyl-CoA → malonyl-CoA (carboxylatie door acetyl-CoA-carboxylase, ACC) → verbruikt voor
vetzuursynthese door vetzuursynthase (megasynthase)o Reciproke regeling van vetzuuroxidatie en –synthese (malonyl is allosterische remmer van
vetzuuroxidatie)o Acetyl-CoA → HMG-CoA (cholesterolsynthese)
7.1 Vetzuursynthese
7.2 De novo-cholesterolsynthese
7.2.1 Inleiding
o Cholesterol veresterd met vetzuren: chemisch inerte stof, opgeslagen in vetdruppels of in lipoproteïnen
o Vrije cholesterol: in membranen (lipid rafts), kan worden omgezet in cholesterolafgeleiden
7.2.2 Drie fasen in de de novo synthese van cholesterol
o Farmacologische inhibitie door statineno Fase 1: synthese van isopentenylpyrofosfaat uit 3 moleculen acetyl-CoA samen met NADPH en ATPo Fase 2: polymerisatie van deze bouwstenen tot squaleen: 3 IPPP’s kop-aan-staart tot C15-
bouwstenen, 2 C15-bouwstenen tot C30-bouwsteen (symmetrisch)o Fase 3: ringvorming van squaleen en modificatie van de zijketens
7.2.3 Synthese van IPPP, de geactiveerde bouwsteen
o 3acetyl-CoA → 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (= HMG-CoA)o Synthese van HMG-CoA gebeurt in het cytoplasma door HMG-CoA-synthase 1 (voor cholesterol), in
de mitochondriale matrix door HMG-CoA-synthase 2 (ketogenese, lever)o Ketogenese: lyase-acetoacetaat splitst afo Cholesterolsynthese: reductie HMG-CoA tot mevalonaat (HMG-CoA-reductase; inhibitie door
cholesterolconcentratie in membraan van ER) → fluxgenererende stap (inhibitie door statinen)o Mevalonaat + 2P → isopentenylpyrofosfaat (IPPP) + CO2
o 6 IPPP → squaleen (isopreenpolymeer): .Afsplitsing van pyrofosfaatgroep van 1 IPPP → elektrofiele carbokationgroep, interageert met = van
8
2de IPPP → vorming van geranylpyrofosfaat (C10), vorming van allyl-carbokation dat weer kan reageren met 1 IPPP → farnesylpyrofosfaat (C15) x2 (kop aan staart) → squaleen
7.2.3.1. Ringvorming en zijketenmodificatieso Sluiting van de 4 ringen: squaleenoxidocytaseo NADPH → NADP+ door O2 met vorming van een reactief epoxide in A-ringo Epoxide “zuigt” aan naburige π-elektronen van een = → dominoreactie met vorming van A-,
B-, C-, D-ringeno 2de domino-effect: carbokation in D-ring wisselt een methylgroep van plaats met ontstaan
1ste sterol: -3 C-atomen, reductie van alifatisch vertakte keten, verplaatsing =-binding (19 enzymatische stappen) → cholesterol
7.2.3.2. Synthese van andere isoprenoïden
o 20.000 verschillende isprenoïdeno Synthese begint altijd bij isopentenylpyrofosfaat, gepolymeriseerd tot geranyl- (C10),
farnesyl- (C15), geranyl- (C20) of nog langere arm; substraatspecifiek cyclase kan eventueel nog ringen vormen
o Functie: structuur-, ankerelementen, oxidoreductans, signaaltransductieo Terpenen: geurend, lekker, mooi gekleurd vb. limoneen, zingibreen, alcoholmentholo Kleur, geur en smaak bestaan in terpeenverbindingen
7.3 Afstemming van de flux van de novo cholesterolsynthese op opnamemogelijkheid van exogeen cholesterol
7.3.1 Verdeling van voedings- en de novo cholesterol over het lichaam door lipoproteïnen
o Lipoproteïnen: verhogen 1000x de oplosbaarheid van cholesterol in water (emulgatie) o LDL: polaire koppen (vrije OH-groepen, polaire AZ-residu’s van apoproteïne B-100) van
membraanlipiden aan de buitenkant (halve lipidenmembraan), kern opgevuld met cholesterolacylesters
o Apoproteïne B-100: adresseert LDL aan cellen die het willen opnemen (receptorgemedieerde endocytose)
o Voedingscholesterol: chylomicronen, grootste lipoproteïnen (<dunne darmmucosa); verteerd door lipoproteïnelipase → triglyceriden + H2O → vrije vetzuren en glycerol
o Chylomicrone remnants: voedingscholesterol → endocytose → levero Parenchymcellen: meten de opgenomen cholesterol en bepalen of er extra moet worden
bijgemaakt of nieto Levercholesterol + levertriglyceriden in VLDLo VLDL circuleren in bloedbaan, + lipoproteïnase → triglyceriden worden selectief verwijderd met
vorming van LDLo Lever: HDL, verzamelt als een stofzuiger cholesterol in de periferie via efflux door ABCA1-
membraantransporters en esterificatie via LCAT en uit macrofagen in de vaatwandeno Opgeladen HDL → lever: de-esterificatie en diffusie van HDL naar levercellen met vorming van
galzouten = retrograde cholesteroltransporto Retrograde cholesteroltransport: voorkomen dat cholesterol zich opstapelto CETP: cholesterol ester transfer protein: draagt cholesterolesters over van HDL→VLDL, LDL
7.3.2 Relatie tussen de novo synthese en anvoer van voedingscholesterol
o Per dag: 500mg cholesterol: lipid rafts, specifieke afgeleideno Cholesterol opgenomen door voeding → parenchymcellen en perifere cellen
9
o Perifere cellen: receptorgemedieerde opname van LDL in intercellulaire ruimte → cholesterol in lysosoom → ABC-transporter → andere compartimenten
o Cholesterolconcentratie stijgt in membraan ER, boven bepaalde drempel → de novo onderdrukt en omgekeerd
o Belang ABC-transporters voor intracellulaire cholesteroltransporto Ziekte van Tangier: defect in gen voor ABCA1-transporter, cholesterol stapelt zich op in perifere
cellen en HDL-cholesterol daalt
7.3.3 Cholesterolopstapeling in de vaatwand veroorzaakt atherosclerose
o Grootste doodsoorzaak: hartinfarct, beroerte, aneurysma, gangreen, …o Opstapeling van cholesterol in tunica intimao Aantrekking macrofagen en monocyten die cholesterolopstapeling proberen op te ruimen →
schuimcellen (produceren pro-inflammatoire mediatoren)o Fatty streak → atheromateuze plaqueo Proliferatie van gladde spiercellen en fibrose leiden ook tot versmalling van de vaatwand (secretie
van platelet-derived growth factor door bloedplaatjes); crisis doordat endotheel scheurt door atheroomplaat → acute thrombus
o Risicofactoren: gestegen LDL-concentratie in het bloedo Beschermend: gestegen HDL-concentratie in het bloedo Genetische invloed, dieet, veroudering
7.3.4 Statinen remmen de enzymatische flux van HMG-CoA-synthase
o HMG-CoA-synthase katalyseert de fluxgenererende stap o Simvastatine (1988), Atorvastatine, Lovastatine, Fluvastatine, Pravastatineo Statinen hebben een structuuranalogie met HMG-CoA, binden op actievesite van synthase en
blokkeren zo de fluxo De novo synthese wordt geremd → transcriptionele respons van SREBP-2 stijgt → stijging expressie
van LDL-receptoren → daling LDL-concentratieo Statinen hebben ook anti-inflammatoire en ‘pleiotrope’ effecten, niet te verklaren door LDL-daling
8. Vetzuur- en cholesterolafgeleiden
8.1. Triacylglycerolen
o Vetzuren worden vaak bewaard in de vorm van triacylglycerolen in vetdruppels in het cytoplasma (energiereserve)
o Glycogeenvoorraad: 0,64% totale energievoorraado TAG: >80% (600megaJ) totale energievoorraado Mobiliseerbare spiereiwitten: rest van strategische langetermijnenergievoorraado TAG: acyl-CoA veresteren met glycerol-3-fosfaato Lever: fosforyleren van glycerol glycerol-3-fosfaat (glycerolkinase)o Vetcellen: dihydroxyacetonfosfaat reduceren tot glycerol-3-fosfaato Eerste esterbinding op G3P, energie uit acyl-CoA lysofosfatidaato Acyl-CoA op laatste vrije OH van glycerol fosfatidaato Beide reacties door glycerolfosfaatacyltransferaseo Fosfatidaat diacylglycerol + P (fosfatase) o OH van diacylglycerol + acyl-CoA TAG (diglyceride-acyltransferase)
10
o Mens: TAGsynthasecomplex (oppervlakte GER) in dunne darmmucosa (vetzuren en monoacylglycerolen veresteren + vorming chylomicronen), lever (de novo gesynthetiseerde vetzuren door parenchymcellen in VLDL), vetcellen (vetzuren+glucose TAG)
o Lipasen: TAG vetzuren, DAG, MAG, glycerolo Lipasen werken in: 1. Dunne darmholte: pancreatisch lipase met colipase en galzouten, 2. Luminale
oppervlak endotheelcellen in kleine bloedvaten (vooral vetweefsel): lipoproteïnelipase, 3. Cytoplasma van vetcellen: vetcellipase (geregeld door hormonen)
o Fosfolipasen: werken op membraanlipiden, naargelang substraatspecifiteit 1 esterbinding gehydrolyseerd. Doel: splisten van actieve stoffen
o Vb. fosfolipase C: esterbinding 3 DAG + inositol-1,4,5-trifosfaat (signaaltransductie)o DAG: activator van proteïnekinase Co Inositol-1,4,5-trifosfaat: opent calciumkanalen in ER door binding op receptoreno Vb. fosfolipase A2: esterbinding 2 arachidonzuur (voorloper eicosanoïden)
8.2 Glycero- en sfingolipiden
8.2.1 Glycerolipiden
o Glycerol + 2 vetzureno Stap 1: productie actieve bouwsteen CDP-DAG mbv CTP o Stap 2: geactiveerd fosfatidylgroep reageert met OH-groep van een alcohol (vb. serine
fosfatidylserine en CMP)o Cytidine&uridine hebben dezelfde rol voor biosynthese van respectievelijk
fosfolipiden&polysacharideno Fosfatidylserine fosfatidylethanolamine + CO2
o Fosfatidylethanolamine + 3methyl fosfatidylcholine (lecithine) (methyldonor: S-adenosylmethionine)
o Fosfatidylinositol: overdracht van cyclische polyalcohol op CDP-DAG. Als inositolgroep meervoudig gefosforyleerd wordt voorloper van belangrijke intracellulaire signaalmolecule
o Salvageweg: recyclage bestaande bouwsteneno Choline + P fosforylcholine CDP-cholineo CDP-choline condenseert met DAG CMP + fosfatidylcholine
8.2.2 Sfingolipiden
o Palmitoyl-CoA + serine sfingosineo Dubbele redox: 2de alcoholgroep en dubbele bindingo Ter hoogte van primaire aminogroep veresterd ceramide (signaaltransductie, apoptose)
sfingomyeline of gluco- & galactocerebrosiden (+4 suikers gangliosiden)o Gangliosiden (+60soorten obv glycosidebindingen): ladingen en polaire groepen in contact met EC
waterfaseo Hoogste concentratie van cerebrosiden en gangliosiden: plasmamembraan neuronen
8.3 Het cytochroom-P450-systeem
o Moleculaire zuurstof als oxydans di- en mono-oxygenaseno Mono-oxygenasen (gemengde oxydasen, hydroxylasen): aanbrengen van 1 O-atoom met vorming
van steroïd, andere bij H2Oo Speciale elektronentransportketen (in GER of binnenste mitochondriale membraan)o Atomen van O2 worden gesplitst door haemijzer van cytochroom-P450 (CYP)o GER (microomen): e- van NADPH CYP door NADPH-CYP-reductase
11
o Mitochondriale membraan: e- van NADPH via ferredoxinereductase, ferredoxine (adrenodoxine)o Ferredoxine: klein, niet-haem, ijzerhouden redoxEW in alle cellen, specifiek in steroïdhormoon
producerende cellen, lever en niereno Redoxsysteem van ER communiceert met cytochroom-b5 (verbonden met
vetzuurdesaturatiesysteem)o Grote CYP-genen-familie (± 100), laatste mutaties door genduplicatieen opstapeling van functioneel
relevante mutaties.o Evolutionair oudste genen: hydroxylering van cholesterol met vorming van signaaloverdragende
moleculeno Biotransformatie: opruimen van door de lever uit de voeding opgenomen niet ‘metaboliseerbare’
stoffeno 1. CYP-geïnduceerde oxidatie, 2. Conjugatie met polaire molecule verhoging wateroplosbaarheido Geconjugeerde, geoxideerde stof is gemakkelijker uit te scheiden via gal of urineo Sommige voorlopers van carcinogene stoffen worden door biotransformatie geativeerd
8.4 Eicosanoïden
o Eicosatetraeenzuur, door fosfolipase A2 losgemaakt van middelste alcoholgroep van glycerol in binnenste halflaag van de plasmamembraan
o Prostaglandinen en leukotriëneno Hoeveelheid beschikbaar substraat wordt geregeld door hormonen en neurotransmitters die via
receptoren de werking van fosfolipase A2 controlereno Prostaglandinen (oxidatieproducten van arachidonzuur): prostaglandinesynthase, bezit cyclo-
oxygenasecomponent. 4 belangrijkste chemische vormen: PGE2, PGF2a, PGI2, TXA2 (typische ringstructuren binnen het vetzuur + 1 of meer hydroxylgroepen)
o PG2-familie: afgeleid van arachidonzuur, maar ook analoge afgeleiden van eicosatrieenzuur en eicosapentaeenzuur families met evenveel =
o Cyclo-oxygenasecomponent gebruikt moleculaire zuurstof om endoperoxide aan te brengen in vetzuurketen
o 2de moleculaire zuurstof wordt als peroxide aangebracht op C15 vorming PGH2 = stamboomstructuur
o Spectrum van fysiologische en farmacologische effecten vb. contractie gladde spiercellen, ontstekingsreactie, koorts, pijn, demping zuursecretie in maagwand, verhoging weerstand van mucosa tegen ulceratie
o PGI2, TXA2: al dan niet activeren van bloedplaatjes (PGI2 gaat activatie tegen)o Leukotriënen : oxidatie van arachidonzuur door isovormen van lipoxygenase met vorming van
hydroperoxi-eicosatetraeenzuur (HPETE)o 3 isovormen: 5- (neutrofielen en macrofagen), 12- (veel plaatsen), 15-lipoxygenase (T-lymfocyten,
eosinofielen, epitheelcellen van luchtwegen)o Peroxide epoxide hydroxyde ≠ isovormen van HETE (voorlopers leukotriënen)o Reactieproducten van 5-lipoxygenaseweg: leukotrieen B4, cysteïneleukotriëneno Naam: voor het eerst geïsoleerd uit leukocyten doelwit voor behandeling van ziekten zoals
bronchiaal astma
8.5 Van cholesterol afgeleide biomoleculen
o Galzouten: afbraakproducten van cholesterol, belangrijke bijdrage aan de resorptie van vetteno Steroïdhormonen: allemaal van cholesterol afgeleide steroïdkern (koolsfotskelet met 4
ringstructuren). Corticosteroïden, geslachtssteroïdeno Vitamine D3: calciumhuishouding, door de nier afgewerkte calcitriol: steroïdhormoon (open B-ring)
12
8.5.1 Galzouten
o Lever zet cholesterol via # stappen om tot glycocholaat en taurocholaato Zowel sterk polair als sterk apolair oppervlak detergenteno Mono-oxygenasen in de lever verzadigen en oxideren ringstructuren (e- van CYP)o Trihydroxycoprostanoaat cholyl-CoA, kan geconjugeerd worden met glycine of taurineo In galblaas geconcentreerd tot galo Maaltijd: cholecystokinine contractie galblaas grote vetdruppels uit voeding omzetten in
kleine micellen betere werking pancreatische lipasen.o 20g galzouten/dag, >95% wordt geresorbeerd in het bloed (enterohepatische cyclus) slechts 0,5g
galzouten/dag gaan verloreno Per dag ±800mg cholesterol opgenomen/geproduceerdo Defect in de afvoer van galzouten steatorroeo Behandelen van hypercholesterolemie
8.5.2 Steroïdhormonen
8.5.3 Vitamine D en afgeleiden hiervan
o 1,25-dihydroxycholecalciferol (calcitriol): metabole samenwerking tussen lever en huido Huid: oxideren van cholesterol in de B-ring tot 7-dehydocholesterolo Zonlicht breekt de B-ring openo Previtamine D3 via isomeratie cis trans omgezet tot cholecalciferolo 2 hydroleringsreacties (lever en nier): fysiologisch inerte vitamine omgezet tot actief hormoon.o Ook via de voeding en samen door de huid gemaakt prohormoon door lever en nieren geactiveerdo Belang bij calciumhuishouding: resorptie in de darmholte en lumen van niertubuli verhoogt, bij
normocalciëmie wordt calcium ingebouwd in het botmineraal, bij hypocalciëmie komt botdemineralisatie voor (traag en receptorgemedieerd)
o Rachitis: deficiëntie in aanmaak, inname of werking van vitamine D (skeletafwijkingen bij groeiend kind, hypocalciëmie)
9. Aminozuurmetabolisme
9.1 Essentiële en niet-essentiële aminozuren
9.1.1 Inleiding
o Elke cel moet voortdurend versleten EW vervangen door nieuweo Recycleren van aminozuren door afbraak versleten/overbodige cellulaire EW via lysosomale
proteasen, vergt de covalente hechting van het af te breken EW aan ubiquitineo Opname van vrije aminozuren door plasmamembraan met aminozuurtransporters. Ziekte van
Hartnup: mutatie in gen dat codeert voor neutrale aminozuurtransportero Opname van EW door receptorgemedieerde endocytose lysosoom cytoplasma door
aminozuurtransporterso De novo synthese: voor de niet-essentiële aminozuren (± de helft)o Andere helft: essentiële aminozureno Onderverdeling is niet zo scherp, vb. voor kinderen is arginine wel een essentiële az, histidine,
tyrosine wordt gemaakt door oxidatie van fenylalanine dat zelf essentieel is, cysteïne uit het essentiële methionine
o Essentieel: vertakte alifatische aminozuren (leucine, isoleucine, valine), ingewikkelde aromatische ringen (fenylalanine, tryptofaan), basische (histidine, lysine, arginine), threonine, methionine
13
9.2.2 De novo synthese van niet-essentiële aminozuren
o Nodig: koolstofskelet, bron van stikstofatomen, enzymeno Glutamaatdehydrogenase: alfa-ketoglutaraat glutamaat. Eerst NH4
+ ingebouwd als Schiff-base (C=N), dan gereduceerd met e- van NADPH, werkt ook in de omgekeerde richting
o Glutaminesynthetase: 2de aminogroep incorporeren in az door amidering van de γ-carboxylgroep. Eerst zijketen geactiveerd door ATP. Nut: glutamine maken, giftige ammoniak in hersenen opruimen. Asparagine kan op analoge wijze worden gemaakt uit ATP en aspartaat of door transamidatie
o Aminotransferasen (transaminasen): overdracht van een alfa-aminogroep van een aminozuur naar een alfa-ketozuur met vorming van nieuw alfa-ketozuur en aminozuur. Maken gebruik van pyroxidaalgroep (afgeleide van vitamine B6). In 1 stap: glutamaat + pyruvaat alanine (ALT), glutamaat + oxaloacetaat aspartaat (AST). Werkt ook omgekeerd. Veel expressie in de lever samen met glutamaatdehydrogenase en glutaminase
o Beide enzymen in het bloed van patiënten met levercellulaire schade, vooral bij acute toxische, ischemische of virale schade.
o Bijkomend transaminase: aminogroep van glutamaat naar 3-fosfo-hydroxypyruvaat 3-fosfoserine serine
9.1.2.1 Foliumzuur en de synthese van glycineo C1-metabolismeo Foliumzuur bevat een reactief centrum met N5 en N10 die betrokken zijn bij de opname van C1-
groep in diverse oxidatietrappen.o Aanmaak glycine: Serine staat een C1-unit af aan tetrahydrofolaat (THF) N5, N10-methyleen-
THF, kan C1-units afdragen in een methyleringsreactie vb. methylering van uracil tot thymineo Redoxtoestand van THF kan door enzymen veranderen in –CH3, -CHO (2x gebruikt bij de novo
synthese van de purinebasen)
9.1.2.2 S-adenosylmethionine (SAM) en de synthese van zwavelhoudende aminozuren
o N5-methyl-THF: homocysteïne methionineo Homocysteïne komt tussen in de geactiveerde methylcyclus, niet in EW-syntheseo Methylcylus: SAM met bijzonder sterk geactiveerde methylgroep, uit methionine mbv ATP.
staat methylgroep af S-adenosyl-homocysteïne homocysteïne + adenosineo Homocysteïnetransferase, co-enzym: cobalamine, vitamine B12
o Vitamine B12 : regeneratie van methionine en isomerisatie van methylmalonyl-CoA tot succinyl-CoA
9.2 Aminozuurkatabolisme
9.2.1 Afbraak van het koolstofskelet van aminozuren
o In de mitochondriale matrix geoxideerd tot CO2, want uitstekende brandstofo Belangrijke modaliteiten: 1. Bestaan van een overschot aan AZ door opgenomen voedingsEW, de
lever zal deze omzetten tot glucose/vetzuren of zelf verbranden. 2. Tijdens een periode van vasten zal de lever de stroom van AZ omzetten tot glucose/ketonlichamen. 3. Afbraak van fenylalanine en tyrosine tot acetoacetaat en fumaraat
o Afbraak van fenylalanine en tyrosine: Oxidatie van fenylalanine tot tyrosine door 1 atoom van O2
(waarbij tetrahydrobiopterine + O2 dihydrobiopterine + H2O) Tetrahydrobiopterine is een reductor die lijkt op tetrahydrofolaat, met enkel het pterinegedeelte van deze laatste. Gekatalyseerd door fenylalaninehydroxylase (PAD)
14
o Normaal 75% van fenylalanine tyrosine, 25% in EW en slechts een spoor omgezet tot fenylpyruvaat door transaminatie. Overschotten tyrosine in de lever worden omgezet in parahydroxyfenylpyruvaat door tyrosinetransaminase
o IEOM PAD: autosomaal recessief PKU. Fenylalanine tyrosine gebeurt niet vlot. 1. Fenylpyruvaat in de bloedurine en fenylalanine-opstapeling in het bloed, veroorzaakt competitie met tyrosine&tryptofaan ter hoogte van de bloed-hersenbarrière. 2. Gestoorde enzymatische flux van PAD in de lever daling tyrosineconcentratie in het bloed tekort aan tyrosine in de neuronen (voorloper (nor)adrenaline). 3. Minder tyrosine bij de melanocyten minder biosynthese van melanine4. Irreversibele achterstand in de ontwikkeling van de hersenen testen direct na de geboorte (guthrie-test)
9.2.2 Stikstof van aminozuurdegradatie wordt geëlimineerd als ureum
o Ammoniak: gevormd in de lever door oxidatieve deaminatie van glutamaat door glutamaatdehydrogenase en door deaminatie van glutamine tot glutamaat door glutaminase
o Glutamine neemt belangrijkste plaats in het bloed en is dan ook de meest relevante transportvehikel van overtollige aminogroepen als afval uit perifere weefsels
o Eigenlijke detoxificatieproces: inbouw van ammoniak in ureum (organisch, chemisch inert, goed wateroplosbaar) want kan in hoge concentraties uitgescheiden worden in de urine
o Fase 1: inbouw van ammoniak in carbamoylfosfaato Fase 2: binnentreden van carbamoylfosfaat in de ureumcycluso Fase 3: carbamoylfosfaat wordt gevormd uit NH4
+ en CO2 met verbruik van 2 ATP door carbamoylfosfaatsynthetase 1 (levermitochondria, carbamoylsynthetase 2 in alle andere lichaamscellen voor de novo synthese van pyrimidinebasen)
o Fase 4: Ureumcyclus. N-carbamoylfosfaat ureum (parenchymcellen van de lever)1. Carbamoylfosfaat treedt de cyclus binnen door koppeling met ornithine citrulline, door ornithinetranscarbamoylase2. Citrulline condenseert met aspartaat argininosuccinaat, hierdoor treedt er een 2de aminogroep de cyclus binnen door argnininosuccinaatsynthetase3. Argininosuccinase klieft substraatargininosuccinaat in arginine en fumaraat. Aspartaat verliest dus in 2 stappen zijn –NH2-groep maar het C-skelet blijft behouden.fumaraat gaat naar de citroenzuurcyclus4. Arginase-1 klieft arginine in ornithine en ureum. Ureum komt in de bloedbaan terecht en wordt via de nier uitgescheiden.
o Weinig weefsels bevatten arginase en kunnen dus arginine aanmaken maar niet klieven, lever bevat wel veel arginase
o Vermijden van toxiciteit ter hoogte van de hersenen verantwoordt de energie uitgave van de ureumcyclus
o Vogels: stikstof elimineren in uraatkristalleno Arginase-2 in de dunne darm: bescherming van uit de voeding opgenomen arginine tegen afbraak
in de lever, via citrulline in het bloed. Citrulline wordt in de nier omgezet tot arginine via argininosuccinaatsynthetase en argininosuccinase
o Arginine-citrullinecyclus: arginine komt dan in de circulatie in plaats van de poortadero Citrulline is bijzonder belangrijk voor patiënten met een verstoorde darmfunctie
9.3 Aminozuurafgeleiden
9.3.1 Inleiding
15
o AZ zijn voorlopers van haem, sfingosine, choline, purinen, pyrimidinen, polyaminen, neurotransmitters, histamine, schildklierhormoon, NO
9.3.2 Creatine en carnitine
o Dragers van energierijke fosfaten en geactiveerde vetzureno Creatine: arginin en glycine worden door AGAT omgezet in ornithine en guanido-azijnzuur (nieren).
Guanido-azijnzuur wordt door GAMT omgezet in creatine en S-adenosylomocysteïne (lever)o Creatine wordt in de voeding opgenomen via vlees, verhoogt de spierprestatieo Carnitine: posttranslationele verandering van lysinezijkentens, waarbij epsilon-aminogroep
getrimethyleerd wordt. Als deze proteïnen in de lysosomen afgebroken worden, ontstaat vrije trimethyllysine die de eerste metaboliet is van de carnitinesynthese
9.3.3 Haemsynthese
o Porfyrinering (stikstof en koolstofskelet) met centraal ijzeratoomo 1. Condensatie glycine aan succinyl-CoA (mitochondriale matrix) door delta-
aminolevulinaatsynthase (feedbackinhibitie door haem)o 2. Porfobilinogeensynthase condenseert 2 delta-aminoluvelinaat-moleculen tot profobilinogeen
(hoeksteen haemsyntheseo 3. Polymerisatie van 4 porfobilinogeen (kop-aan-staart) door porfobilinogeendeaminase tot linear
tetrapyrroolo 4. Cyclisatie tetrapyrrool door sunthase tot uroporfyrine 1. Deze laatste wordt omgebouwd door
cosynthase tot uroporfyrine 3 (1 acetyl- en 1 proprionylgroep zijn van plaats gewisseld)o 5. Uroporfyrine 3 wordt geoxideerd, deel van acetaat- en proprionaatzijketens worden
gedecarboxyleerd tot methyl- en vinylgroepen. Protoporfyrine IX, waarin via ferrochelatase een ijzerion wordt ingebouwd (uit ferritine) haem wordt ingepakt in hydrofobe spleet van een haemdragend eiwit
9.3.4 Afbraak van haem
o Meest intens in de milt, bij elke passage sterven er oude RBC (leven ±120dagen)o Wanneer een RBC sterft, worden de celonderdelen door fagocytose opgenomen door reticulo-
endotheliale cellen. Lysosomale proteasen verteren het EW-gedeelte tot AZ, haemring wordt door haemoxygenase opengebroken.
o Haemoxygenase gebruikt 3 atomen van 2O2 met vorming van biliverdine en CO (4de O-atoom oxideert NADPH)
o Haemijzer wordt in 2 stappen gerecycleerd door ferrochelatase in het beenmerg. Eerst wordt ijzer in de milt opgeslagen als ferritine. Deze cellen staan dan het opgeslagen ijzer af aan in het bloed circulerend transferritine, die het naar het beenmerg brengt.
o Klein deel van lichaamsijzer gaat verloren in de urine, bloedverlies, huidschilferingo Overdreven opstapeling van ijzer: hemosiderose, hemochromatoseo Biliverdine wordt in de milt gereduceerd tot bilirubine. Bilirubine is overwegend apolair bindt
aan albumineo Albumine: 1 hoog- en 1 laagaffienebindingsplaats voor niet-geconjugeerd bilirubineo Bilirubine-albuminecomplex wordt in de lever omgevormd tot bilirubine-ligandinecomplexo Vervolgens wordt bilirubine aan beide carboxylgroepen van de beide proprionylzijketens
geconjugeerd met 2 sterk polaire/geladen AZ bilirubinediglucuronide (UGT1A1)o Bilirubinediglucuronide wordt in de lever afgescheiden in de galkanaaltjes dunne darmo Darmflora hydroliseert een deel hiervan, bilirubine urobilinen via urobilinogeen (klein deel
urobilinogeen wordt in de dikke darm opgenomen)
16
o Enterohepatische cyclus: urobilinogeen weer naar de lever galo Geelzucht: overdreven afbraak van haem of een gestoorde excretie van bilirubine ( opstapeling
bilirubine)o Leverparenchymcellen: stijging van in het bloed circulerend niet-geconjugeerd bilirubineo Verstopping van de galwegen: stijging in bilirubinediglucuronide
10. Nucleotidenmetabolisme
o Nucleotiden zijn de bouwstenen van de nucleïnezuren RNA en DNAo Adenineribonucleotiden vormen de structuur van de belangrijkste co-enzymen (NAD, FAD, CoA)o Nucleotiden worden gebruikt om biosynthetische bouwstenen te activereno ATP is een energiebron voor endergonische reactieso Energy charge van een cel, second messenger cyclisch AMP en de eiwitfosforylering worden
geregeld door adenineribonucleotiden.o De novo- en salvage-synthese, afbraak en excretie
10.1 Homeostase van ribo- en desoxyribonucleotiden
o Optimale verhouding tussen alle bouwstenen is van groot belang voor RNA- en DNA-syntheseo Balans tussen nucleoside-5’-trifosfaten, -difosfaten, -monofosfaten en vrije nucleosiden
o Oxidatieve fosforylering (protonengradiënt over IMM)zorgt voor hoge ratio van [ (d ) XTP ](d )[XDP]
en
[ (d ) XDP](d )[XMP]
o Hoge concentratie ribonucleotiden dan desoxyribonucleotiden, want de omzetting naar desoxy- is fluxbeperkend door ribonucleotidereductase. Deze omzetting gebeurt op niveau van XDP
o Interrelaties tussen de verschillende soorten nucleotiden zijn mogelijk door een aantal kinaseno Netwerk is gecompartimenteerd verschillende concentraties en verhoudingen
10.2 Purinesynthese
10.2.1 De novo purinesynthese
o Vanuit stikstof en koolstofo Stapsgewijze opbouw van purineskelet terwijl die vastzit aan ribose-5-fosfaat. Eerst materiaal voor
de 5-ring en dan voor de 6-ring. 4 Stikstofatomen afkomstig van 3 ≠ AZ (glutamine, glycine, aspartaat). C-atomen uit glycine, N10-formyltetrahydrofolaat en CO2
o Begin: 5’-fosforibosyl-1’-pyrofosfaat (= geactiveerde vorm van ribose-5-fosfaat). Door activering van het C1-atoom van de ribosering met ATP wordt dit atoom geschikt voor synthese.
o Fluxcontrole: aanbrengen van de 1ste aminogroep door fosforibosyl-pyrofosfaatamidotransferase (PPAT) waardoor fosfaat vrijkomt en het 5’-fosforibosyl-1’-amine ontstaat
o Op 5’-fosforibosyl-1’-amine wordt toegevoegd: glycine, formylgroep en 2de aminogroep.o Door ringsluiting ontstaat de imidazolring. Hierop wordt toegevoegd: carboxylgroep, aminogroep
en formylgroep.o 2de ringsluiting vormt de 6-ring purinestructuuro Base is hypoxanthine en vormt samen met ribose-5’-monofosfaat het inosinemonofosfaat (IMP)o Vanaf hier vertakt de purinesynthese in 2 wegen: 1 naar adeninenucleotiden en 1 naar
guaninenucleotiden.o AMP: 6-ring van C6-carbonylzuurstof wordt vervangen door een aminogroep (via inbreng van
aspartaat met adenylosuccinaat-intermediair). Wanneer fumaraat afsplitst, is AMP ontstaan
17
o GMP: oxidatie van hypoxanthine tot xanthine gevolgd door een aminosubstitutie (glutamine glutamaat)
o Metabole flux: feedbackinhibitieo 1. Rem door AMP, GMP, IMP op de eerste 2 stappen (PRPP-vorming en omzetting tot PRA)o 2. Specifieke rem door AMP en GMP op hun eigen synthese
10.2.2 Salvageweg van purinebiosynthese
o Vrije basen recycleren tot nieuwe nucleotideno Enzymen: adeninefosforibosyltransferase en hypoxanthine-guanine-fosforibosyltransferase (deze
laatste kan tevens hypoxanthine ombouwen tot IMP)o PRPP als geactiveerde riboseo Energie komt vrij door splitsing van pyrofosfaat exergonischo ATP is nodig om PRPP te genereren uit ribose-5-fosfaato Uracilfosforibosyltransferase: hergebruik van pyrimidinebasen
10.3 Pyrimidinesynthese
o Overeenkomsten met purinesynthese: multifunctionele enzymen, inbreng AZo Verschil: eerste steen wordt gebouwd op het fundament van een geactiveerde riboseo 1. Vorming N-carbamoylfosfaat door carbamoylfosfatase 2 (glutamine als stikstofbron).
Endergonisch, verbruikt 2 ATPo 2. Carbamoylfosfaat + aspartaat carbamoylaspartaat (aspartaattranscarbamoylase)o 3. Ringsluiting dihydro-orotaat (dihydro-orotase, onttrekt H2O-molecule)o 3 enzymen samen in één trifunctioneel enzym: CADo 4. Dihydro-orotaat orotaat door NAD+-afhankelijk dehydrogenase. Vereist een transporter die
orotaat uit de matrix laat diffunderen en dihydro-orotaat naar binneno 5. Orotaat UMP (UMP-synthase, in cytoplasma)o UMP-synthase: bifunctioneel enzym (orotaatfosforibosyltransferase: orotaat + ribose
orotidylaat; orotidylaatdecarboxylase: orotidylaat uridylaat (UMP) + CO2)o Aanmaak van CTP ligt in het verlengde van de lijn die loopt naar UTPo 1. UMP UTP (2ATP, UMP-kinase, nucleosidedifosfokinase)o 2. UTP CTP (stikstofatoom van glutamine)
10.4 Synthese van DNA-bouwstenen
10.4.1 Reductie van ribose
o Bouwstenen DNA: dATP, dGTP, dCTP, dTTPo Nog nodig: reductie van de 2’-OH-groepen voor voldoende synthese van desoxyribonucleotiden
(ribonucleotidereductase) en methylatie van uracil op C5 voor vorming van thimineo Allosterie: globaal en specifiek geregeld, vb. indien er meer dATP is dan dGTP, zal GDP
geproduceerd worden tot er een evenwicht is
10.4.2 Synthese van dTMP
o Uracil niet in DNA, omdat dagelijks cytosinebasen in DNA oxidatief beschadigd worden en daardoor veranderen in uracil
o DNA-herstelenzymen herkennen dit en vervangen de beschadigde baseo Thymidylaatsynthase: methyleert dUMP dTMP met N5N10-methyleentetrahydrofolaat als
methyldonor optreedto Foliumzuur: veelzijdige drager van C1-eenheden
18
o Dihydrofolaat kan niet opnieuw gemethyleerd worden voordat het is gereduceerd tot THF (dihydrofolaatreductase, NADPH als elektronendonor)
10.5 Katabolisme van nucleotiden
o Nucleïnezuren worden door RNasen en DNasen gesplitst in monofosfaten die door nucleotidasen worden gekliefd in nucleosiden en Pi. nucleosiden worden door nucleosidefosforylasen gekliefd tot vrije basen en ribose-1-P salvageweg
o Overtollige basen worden afgebroken met strikte scheiding tussen purinen en myrimidineno Pyrimidinen: zoals AZ, C-skelet wordt verbrandt tot CO2 en vrije stikstofgroepen ureumo Purineskelet urinezuur/uraat dat met de urine worden uitgescheideno Adenosine: oxidatief gedeamineerd op nucleosideniveau tot inosine (adenosinedeaminase)o IMP en GMP: purinenucleosidefoforylase vrije basen en ribose-1-P (~ fosforolyse van glycogeen)o Hypoxanthine: xanthine (xanthineoxidase: flavoproteïne, O2 als oxydans, H2O als 2de reductor.
Hierdoor wordt een H2O2 gevormd dat door katalase omgezet wordt tot H2O en O2) xanthine wordt opnieuw geoxideerd tot urinezuur en H2O2
o Urinezuur: zwak zuur, zal bij fysiologische pH ioniseren via keto-enoltautomerie uraatanion (met NA+ slecht oplosbaar zout kan neerslaan tussen cellen jicht)
o Jicht: frequente oorzaak van artritis, directe oorzaak is de afzetting van kristallen in en rond de gewrichten
o Onderliggende oorzaak: genetische dispositie (produceren en uitscheiden van uraat) en omgevingsfactoren (alcoholinname, purinerijk dieet)
o Symptomen: hevige gewrichtsklachten in grote tenen (dolor, rubor, calor, tumor)o Anti-inflammatoire geneesmiddelen, dieetadvies, allopurinol (remmer van xanthineoxidase)
12. Lichaamsmetabolisme
o Lichaam kan enkel werken als alles in harmonie is en goed geregeld wordt homeostaseo Geregeld door metabool sensitieve neuronen in de hypothalamus
12.1 Energiebehoefte van organen en weefsels
o Energie wordt gehaald uit het katabolisme van suikers, vetten en EW, tijdelijk opgeslagen als ATPo Verschillen tussen de weefsels op vlak van hoeveel energie wordt verbruikt en welke brandstoffen
hiervoor worden aangesprokeno Energie-uitgave voor verteren van maaltijd en verrichten van mechanische arbeid zijn aanzienlijko Totale energiebehoefte: stoichiometrie van de niet-ontkoppelde oxidatieve fosforylering bij
benadering weergegeven door het totale zuurstofverbruik van het lichaamo Hersenen: 1,5% lichaamsgewicht, 20% van totaal opgenomen O2 (cte, enkel verbranding van D-
glucose)o Regionale verschillen obv neuronale activiteit: energieverslindende intense activiteit van
ionenpompen in de plasmamembraan van geactiveerde neuronen, ivm elektrische geleidbaarheid, prikkelbaarheid, prikkeloverdracht
o Andere belangrijke weefsels halen hun energie uit verbranding van vetzuren/ketonlichamen/AZo Lever: zorgt ervoor dat er altijd precies genoeg glucose in het bloed circuleerto Vetzuren liggen opgeslagen als triglyceriden in wit vetweefselo Bruin vetweefsel: warmtegenererend (vooral na de geboorte)
12.2 De glucosehomeostase
19
12.2.1 Inleiding
o Hersenen gebruiken bij rust ±80% van de totale glucose-uitstroomo Glucosetekort: coma en hersendood door schade aan hersencelleno Glycemie is bijna altijd constant (5-10 mmol/l)o Glycemie stijgt na inname van een maaltijd. Stijging: instroom vanuit de darmen. Dalin: uitstroom
naar spieren, lever en vetcellen (tijdelijk versneld door insuline)o Onderdrempel: 3,5 mmol/lo Counterregulatory systeem: tegenwerkende hormonen bewaren hersenfunctie en vermijden van
diabeteso Wisselwerking tussen perifere zenuwstelsel en metabole doelwitorganen
12.2.2 Postprandiale fase
o Metabole veranderingen die optreden door het innemen van een maaltijdo Afbraak van voedingsstoffen in de darmholteo Zetmeel glucose, waardoor glycemie stijgt boven de 5 mmol/l secretie insulineo Insuline veroorzaakt 1. Verhoogde glucoseverwerking in de lever, 2. Verhoogde glucoseopname
door skeletspieren en vetcelleno Fluxcontrolerende enzymen in de lever: 1. Verhoogde productie van fosfofructokinase-1,
glycogeensynthase, acetyl-CoA-carboxylase stijging flux glycolyse, glycogeensynthese, vetzuursynthese, 2. Inhibitie van fructose-1,6-bifosfatase, glycogeenfosforylase daling flux glyconeogenese en glycogenolyse
o Lever wordt in deze fase een orgaan dat glucose opneemt en triglyceriden afgeefto Resorptie ten einde glycemie daalt weer tot normale drempel en prikkel voor insulinesecretie
valt wego Glucostaat ~ thermostaato Skeletspieren en vetcellen gaan GLUT4 recruteren naar de plasmamembraan oiv insulineo Incretine-effect: versterking van effect van glucose op Bèta-cellen door 2 hormonen van
darmmucosa (glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP), glucagon-like peptide-1 (7-36)amide (GLP-1))
o Lijken op glucagon, versterken dus insulinesecretie door binding op specifieke receptoren op de pancreatische bèta-cellen en ze remmen een te snelle maadlediging
12.2.3 Tussen de maaltijden
o Glucosegevoelige kernen in de hypothalamus counterregulatory systemo Neuronen die elektrisch actief worden indien de EC glucose-concentratie onder een bepaalde
drempel daalt orthosympatische autonome zenuwstelsel bijniermerg wordt gestimuleerd voor productie adrenaline, stijging glucagonproductie, inhibitie van insulineproductie
o Effecten glucagon en adrenaline: activering van glycogenolyse, inhibitie van glycogeensynthese, rem van glycolyse en vetzuursynthese
o Lever staat netto glucose af aan de circulatie (glucosemobilisatie) gesloten kringloop
12.3 Homeostase van de triglyceridenvoorraad
o In cytoplasmatische vetdruppel van adipocyteno Strategische energievoorraado Directe communicatie tussen adipocyten en honger- & verzadigingscentrum in de hypothalamus
(hotmonen)
20
o Adipocyten reageren op een stijging van de insulineconcentratie: 1. Verhoogde glucoseopname via GLUT4 (glycolyse) 2. Inactivering van vetcellipase door activering van proteïnefosfatasen
o Verhoogde opname van vetzuren door afbraak chylomicronen en VLDL door lipoproteïnelipaseo Vasten: afbraak triglyceriden door hormoongevoelig lipase (=vetcellipase), activatie door cAMP en
proteïnekinase Ao Stijging van cAMP dor activering van bèta-3-adrenerge receptoren activering van metabool
sensitieve neuronen in hypothalamus activering sympathische zenuwstelsel lipolyseo Triglyceriden vrije vetzuren + glycerolo Langdurig vasten: lever zet vetzuren om tot ketonlichamen (ketogenese) en glycerol tot glucose
(gluconeogenese)
12.4 Interacties tussen glucose- en triglyceridenhomeostase
12.4.1 Na een maaltijd
o Dunne darm: resorbeert glucose, vetzuren en AZ. Langeketenetzuren chylomicronen vetweefsel remnants door lipoproteïnelipase
o Lever: bouwt glucose, AZ, korteketenvetzuren om tot VLDLo Ander deel glucose glucogeen (lever en spieren)o Ander deel glucose herseneno Werking van insuline op vetcellen en bloedvaten van het vetweefsel: opbouw triclygeridenvoorraad
leptine verzadigingsgevoel (bindt op hypothalamische neuronen)
12.4.2 Tussen de maaltijden
o Lever bewerkstelligt glucosemobilisatie door glucogenolyse. Grootte van de uitstroom wordt beperkt doordat andere organen zijn overgestapt op de verbranding van vetzuren en glycerol (overschakeling: randle-cyclus)
12.4.3 In een toestand van vasten
o Gluconeogenese en ketogenese worden belangrijker glucosemobilisatieo Gluconeogenese: AZ die vrijkomen in het bloed door afbraak van spierEW en glycerol van lipolyseo Hersenen passen zich na enkele dagen vasten aan en branden progressief meer op ketonlichamen
(na 1 week ± helft van ATP-uitgave vd hersenen)o Door overschakeling van hersenen zal er minder spierEW afgebroken moeten wordeno 10kg vet 3 maanden vasteno Concentratie ketonlichamen stijgt meer dan concentratie vrije vetzureno Hersenen nemen in gevoede toestand 0,32mmol glucose op (100g glucose/dag)o Langdurig vasten: zuurstofverbruik daalt nauwelijks, glucoseverbruik daalt met de helft
12.5 Metabole adaptaties aan mechanische arbeid
o Spiercontractie vergt veel ATP, ATP-voorraad van elke cel wordt om de 3min gerecycleerdo Recyclage door fosforylering op substraatniveau dankzij creatinefosfaat, intensieve glycogenolyse
en anaerobe glycolyse in witte spiervezelso Cori-cyclus: lactaat/pyruvaat wordt afgegeven aan de bloedbaano Lever: lactaat glucoseo Langdurige arbeid: ATP-verbruik afhankelijk van vetzuur- en ketonlichaamoxidatie (zeer lang vol te
houdeno Type-1-spiervezels (rood): traag, groot uithoudingsvermogen, ATP via aerobe glycolyse of bèta-
oxidatie van vetzuren, gevolgd door krebscyclus en oxidatieve fosforylering
21
o Type-2-spiervezels (wit): snel, eigen glycogeenvoorraado Homogeen opgebouwd als functionele motorunits.o Maximale aerobe fysische inspanning: piekzuurstofverbruik ± 4L O2/min 60mol ATP/uuro Klaarliggende voorraad ATP is maar goed voor enkele seconden arbeid, creatinefosfaat voor ±10
extra seconden, totale hoeveelheid glycogeen voor enkele minuteno ATP via oxidatieve fosforylering is goed voor uren intensieve arbeido Eerst beschikbare bronnen van ATP, die voortkomen uit fosforylering op substraatniveau, leveren
een veel groter vermogen dan ATP afkomstig van oxidatieve fosforyleringo Verschil in latentietijd om type ATP-productie op volle toeren te laten draaien.o Creatinefosfaatbuffer overbrugt de eerste ½ min anaerobe glycolyse is opgestart. Voordat deze
is uitgeput hebben de cori-cyclus en de aerobe verbranding het overgenomeno Acute overlevingssituaties: witte vezels, lichaamshouding: rode vezels
12.6 Diabetes is een toestand van gestoorde glucosehomeostase
o Normale glucosehomeostase werkt niet meero Type-1 diabetes: juveniel, absoluut tekort aan insuline door vernietiging van bèta-cellen door het
immuunsysteemo Ook insulitis genoemd (Willy Gepts); lijkt op situatie in gevaste toestand ondanks het feit dat de
patiënt eeto Tegenregelend systeem heeft zonder insuline de vrije hand lipolyse, ketogenese,
gluconeogenese en glycogenolyse hyperglycemie (onvermogen van weefsels om glucose op te nemen via GLUT4, doordat er geen insuline is) glycosurie
o Sterke productie van ketonlichamen ketoacidose comao Chronische complicaties: niet-enzymatische glycosilering van EW snellere celveroudering
nierinsufficiëntie, hartinfarct, cerebrovasculair lijden, blindheid, ulceraties of gangreen aan de voeten, perifere neuropathie (polyneuritis, impotentie)
o Type-1 en type-2 diabetes zijn multigenetisch bepaaldo Monogenetische diabetes : MODY-patiënten (neonataal, maternaal, …) (p440-441)o Type-2 diabetes : hyperglycemie door een relatief tekort aan insuline (weinig tot geen symptomen)o Relatief tekort door onvoldoende grote functionele bèta-celmassa (verergerd door amyloïdose)o Amyloïdose: chronisch degeneratief letsel door neerslag van IAPPo Metabool syndroom: obesitas + type-2 diabeteso Probleem: westerse levensstijl (caloriedens voedsel, verminderde lichaamsbeweging)o Zwangerschapsdiabetes
12.7 Obesitas als afgeweken triglyceridenhomeostase
o Te lage brandstofvoorraad: beperking productie ketonlichamen, onvermogen om te vechten, vluchten of voedsel te zoeken
o Te grote brandstofvoorraad: risicofactor voor diabetes, hart- en vaatziekten, kanker, artroseo BMI: lichaamsgewicht/lichaamslengte²o 17-: anorexia, constitutionele magerheid, 20-25: normaal, 25-30: overgewicht, 30+: obesitas, 40+:
morbide obesitas
22