Chapter 5: Introduction to Energy Transfer

Question 1

Beschrijf de eerste en tweede wet van thermodynamica

Answer 1

• De eerste wet van thermodynamica stelt dat energie nooit kan ontstaan of verloren gaat. In plaats daarvan transformeert energie zich van de ene naar de andere vorm.
• De tweede wet van thermodynamica stelt dat equilibrium wordt behaald wanneer er maximale entropie is ontstaan. Oftewel de chaos van een systeem neemt altijd toe.

Question 2

Wat wordt er bedoeld met het principe van energiebehoud?

Answer 2

Dit heeft te maken met de eerste thermodynamica wet, namelijk dat energie niet gecreëerd kan worden, noch kan het verloren gaan. Daarentegen kan energie wel transformeren van het een naar het ander zonder dat tijdens deze transformatie energie verloren gaat.

Question 3

Wat bepaald de totale hoeveelheid energie van het fysiologische systeem van het lichaam?

Answer 3

De potentiële energie en kinetische energie.

Question 4

Wat is enthalpie (H)?

Answer 4

Een thermodynamische maat voor de verandering in thermische energie tijdens een reactie.

Question 5

Wat is entropie?

Answer 5

Entropie kan ook wel omschreven worden als chaos. Het omschrijft de mate van de verspreiding van energie. Hoe meer verspreid deze is, hoe meer entropie er is.

Verder is er bij deze maat sprake van ‘spontaniteit’. Wanneer er sprake is van meer entropie, zal een reactie binnen dit systeem spontaan verlopen. Oftewel, zonder dat er extra energie nodig is om de reactie op gang te brengen.

Question 6

In thermodynamica wordt er veel gesproken van ‘spontaniteit’. Wat wordt er hiermee bedoeld?

Answer 6

Wanneer er sprake is van meer entropie/chaos, zal een reactie binnen dit systeem spontaan verlopen. Oftewel, zonder dat er extra energie nodig is om de reactie op gang te brengen (endergonische reactie).

Question 7

Wat is Gibbs vrije energie (ΔG)?

Answer 7

Een maat voor de bruikbare energie die in een systeem beschikbaar is om werk te verrichten. Het vertelt ons over hoe ‘spontaan’ een reactie kan verlopen.

Question 8

Wat bepaald de verandering in Gibbs vrije energie (ΔG)? Geef hierbij de formule.

Answer 8

• De verandering in Gibbs vrije energie wordt bepaald door de temperatuur (T) en de verandering in enthalpie (ΔH) en entropie (ΔS).
• ΔG = ΔH - TΔS

Question 9

Wat houdt endergonisch in?

Answer 9

Een fysiek of chemisch process waarbij energie nodig is.

Question 10

Wat houdt exergonisch in?

Answer 10

Een fysiek of chemisch proces waarbij energie vrijkomt.

Question 11

Wat betekent een negatieve ΔG? En beschrijft dit een exergonische of endergonische reactie?

Answer 11

Een negatieve ΔG houdt in dat de vrije energie van het systeem afneemt tijdens de reactie. Dit beschrijft dan een spontane reactie. Dit komt omdat energie vrijkomt tijdens de reactie en er dus sprake is van een exergonische reactie.

Question 12

Wat betekent een positieve ΔG? En beschrijft dit een exergonische of endergonische reactie?

Answer 12

Een positieve ΔG houdt in dat de vrije energie van het systeem toeneemt tijdens de reactie. Dit beschrijft dan een niet-spontane reactie, waarbij energie opgeslagen wordt tijdens deze reactie.

Question 13

Aan de hand van Gibbs vrije energie kan bepaald worden of een reactie spontaan verloopt. Hierbij wordt de verandering in Gibbs vrije energie bepaald door de temperatuur (T) en de verandering in enthalpie (ΔH) en entropie (ΔS): ΔG = ΔH - TΔS.

Leg uit hoe een exergonische reactie relateert aan deze parameters.

Answer 13

Een exergonische reactie houdt in dat er energie vrijkomt bij de reactie, waardoor er dus sprake is van hoge spontaniteit.
* ΔH is vaak negatief omdat energie wordt vrijgegeven in de vorm van warmte of een andere vorm van energie.
* ΔS is vaak positief omdat de wanorde in het systeem toeneemt (wanneer een vast molecuul omgezet wordt in gasvormige moleculen bijvoorbeeld). ΔS kan ook negatief zijn, wanneer ΔH voldoende negatief is.
* TΔS: bij een positieve ΔS en hogere temperatuur wordt de invloed van entropie groter.
* * ΔG is negatief en spontaan, waardoor er dus geen externe energie nodig is om de reactie te laten verlopen.

Question 14

Leg uit aan de hand van ΔG, ΔH en ΔS waarom de hieronder beschreven reactie een exergonische reactie is.
CH4 + 2O2 > CO2 + 2 H2O + energie

Hint: CO2 en H2O zijn gasvormige moleculen

Answer 14

• ΔH: in de reactie is zichtbaar dat er energie vrijkomt. ΔH is dus negatief, omdat het systeem energie afgeeft in de vorm van warmte.
• ΔS: in deze reactie wordt methaan en zuurstof omgezet in gasvormige moleculen (CO2 en H2O). Deze moleculen kunnen zich (meer) willekeurig verspreiden, waardoor de wanorde en dus entropie toeneemt. ΔS is hier dus positief.
• ΔG: omdat er sprake is van een negatieve ΔH en positieve ΔS, is ΔG negatief. Dit betekent dat de reactie spontaan verloopt.

Question 15

Leg uit aan de hand van ΔG, ΔH en ΔS waarom de hieronder beschreven reactie een endergonische reactie is.
6CO2 + 6H2O + licht > C6H12O6 + 6O2

Answer 15

• ΔH: in de reactie is zichtbaar dat er energie nodig is. ΔH is dus positief, omdat het systeem energie in de vorm van licht opneemt.
• ΔS: de entropie neemt af in deze reactie, omdat gasvormig CO2 en vloeibaar water worden omgezet in complexe geordende moleculen zoals glucose. Hierdoor neemt de wanorde en dus entropie af.
• ΔG: omdat er sprake is van een positieve ΔH en negatieve ΔS, is ΔG positief. Dit betekent dat de reactie niet-spontaan verloopt.

Question 16

Vul de ontbrekende woorden in.

De vorming van een nieuw product … (verminderd/vergroot) de potentiele energie van het originele molecuul. Gelijktijdig neemt hierdoor de kinetische energie … (toe/af). Tegenovergesteld kunnen cellen atomen en moleculen met elkaar verbinden om daarmee de potentiële energie te … (verhogen/verlagen).

Answer 16

De vorming van een nieuw product verminderd de potentiele energie van het originele molecuul. Gelijktijdig neemt hierdoor de kinetische energie toe. Tegenovergesteld kunnen cellen atomen en moleculen met elkaar verbinden om daarmee de potentiële energie te verhogen.

Question 17

Vul de ontbrekende woorden in.

De overdracht van potentiële energie tijdens een spontaan proces, zorgt er altijd voor dat de capaciteit om werk te verrichten … (toeneemt/afneemt).

Answer 17

De overdracht van potentiële energie tijdens een spontaan proces, zorgt er altijd voor dat de capaciteit om werk te verrichten afneemt.

Question 18

Waar of niet waar.

Uiteindelijk zal al de potentiële energie in een biologisch systeem degraderen tot een onbruikbare vorm van kinetische vorm of thermische energie.

Answer 18

Waar

Question 19

Aan de hand van Gibbs vrije energie kan bepaald worden of een reactie spontaan verloopt. Hierbij wordt de verandering in Gibbs vrije energie bepaald door de temperatuur (T) en de verandering in enthalpie (ΔH) en entropie (ΔS): ΔG = ΔH - TΔS.

Leg uit hoe een endergonische reactie relateert aan deze parameters.

Answer 19

Een exergonische reactie houdt in dat er energie nodig is voor de reactie, waardoor er dus sprake is van lage spontaniteit.
* ΔH is vaak postief omdat energie wordt vereist is voor de reactie.
* ΔS kan zowel positief als negatief zijn. Een positieve ΔS duidt op een toename in wanorde en een negatieve ΔS duidt op een afname in wanorde. Veel endergonische reacties hebben een negatieve ΔS, omdat er een complexer/geordend molecuul gevormd wordt uit simpelere reactanten.
* ΔG is positief en niet spontaan, waardoor er dus externe energie nodig is om de reactie te laten verlopen.

Question 20

Alle chemische en fysieke processen zullen zich uiteindelijk verplaatsen naar een systeem met hoge wanorde en dus hoge entropie.

Wat gebeurd er met de energie die beschikbaar is om werk te verrichten wanneer entropie toeneemt?

Answer 20

Wanneer wanorde en dus entropie toeneemt, zal de energie die beschikbaar is om werk te verrichten afnemen.

(Een rommelige kamer = hoge entropie en hierom moet je meer energie erin steken om je kamer op te ruimen, waardoor de beschikbare energie om werk te verrichten afneemt)

Question 21

Noem de zes vormen van energie.

Answer 21

• Chemisch
• Licht
• Mechanisch
• Elektrisch
• Thermisch
• Nucleair

Question 22

Noem voorbeelden van de volgende typen ‘werk’ binnen het menselijk lichaam:
* Mechanisch werk
* Chemisch werk
* Transport werk

Answer 22

• Mechanisch werk: de filamenten van een spiervezel die chemische energie in mechanische energie omzetten.
• Chemisch werk: de overdracht van chemische energie gedurende de interactie tussen bepaalde eiwitten en DNA en RNA
• Transport werk: het actieve process waarbij ATP nodig is om kanalen tussen cellen/weefsels te openen.

Question 23

Wat is het ‘turnover number’ van een enzym?

Answer 23

Het maximum aantal substraten die omgezet kunnen worden door het enzym wanneer het enzym volledig verzadigd is (per tijdseenheid).

Question 24

Beschrijf wat er bedoeld wordt met het ‘lock-and-key’ mechanisme van een enzym.

Answer 24

Dit mechanisme beschrijft de manier waarop enzymen interactie aangaan met hun substraat. De actieve ‘site’ van een enzym heeft een bepaalde vorm waar een specifiek substraat aan kan binden. Als dit substraat vervolgens met deze actieve site bindt, zal het enzym actief worden en de reactie aangaan.

Question 25

• Wat zijn competitieve inhibitors van een enzym?
• Wat zijn noncompetitieve inhibitors van een enzym?

Answer 25

• Competitieve inhibitors: deze inhibitors hebben een vergelijkbare structuur met het substraat dat met een bepaald enzym reageert. De inhibitors zijn in staat om te binden met het bepaalde enzym, maar het enzym kan niks met deze inhibitors. Hierdoor raakt het enzym geblokkeerd.
• Noncompetitieve inhibitors: deze inhibitors lijken niet op het bijbehorende substraat van een enzym en binden dus ook niet op de actieve site van een enzym. Echter zijn ze in staat om op een andere plek op het enzym te binden, waardoor de structuur en katalyserende functie van het enzym wordt veranderd.

Question 26

Wat is de functie van hydrolyse?

Answer 26

Het katabolizeren (afbreken) van koolhydraten, vetten en eiwitten in simpelere vormen zodat het lichaam het beter kan absorberen/gebruiken.

Question 27

Maak de zinnen af.

• Zetmeel en disaccharides worden gehydrolyseerd tot …
• Eiwitten worden gehydrolyseerd tot …
• Lipiden/vetten worden gehydrolyseerd tot …

Answer 27

• Zetmeel en disaccharides worden gehydrolyseerd tot monosaccharides.
• Eiwitten worden gehydrolyseerd tot aminozuren.
• Lipiden/vetten worden gehydrolyseerd tot glycerol en vetzuren.

Question 28

• Welke enzymen zijn nodig voor de hydrolyse van disaccharides?
• Welke enzymen zijn nodig voor de hydrolyse van lipides?

Answer 28

• Lactase, sucrase en maltase.
• Lipases

Question 29

Beschrijf de algemene reactieformule voor hydrolyse.

Answer 29

Bij hydrolyse worden H+ en OH- toegevoegd aan de bijproducten van de reactie door toevoeging van water:
AB + HOH > A-H + B-OH

Question 30

Wat is een condensatie reactie?

Answer 30

De omgekeerde reactie van hydrolyse. Hierbij wordt water juist gevormd in plaats van gebruikt:
A-H + B-OH > AB + HOH

Question 31

Wat is een oxidatie reactie?

Answer 31

De overdracht van zuurstof, waterstof of elektronen. Hierbij is er altijd sprake van een atoom dat een elektron verlies.

Question 32

Wat is een reductie reactie?

Answer 32

Bij een reductie reactie krijgt een atoom een elektron.

Question 33

• Wat is een ‘reducing agent’?
• Wat is een ‘oxidizing agent’?

Answer 33

• Reducing agent: het molecuul/atoom dat een elektron afstaat/doneert tijdens oxidatie.
• Oxidizing agent: het molecuul/atoom dat een elektron ontvangt.

Question 34

Wat is een redox reactie?

Answer 34

Wanneer een oxidatie reactie plaatsvindt, vindt er ook een reductie reactie plaats. Hiermee zal het ene molecuul een elektron afstaan en het andere molecuul een elektron opnemen.

Question 35

Beschrijf de oxidatieve fosforylatie.

Answer 35

• Waterstofatomen (en elektronen) worden verkregen uit koolhydraten, vetten en eiwitten.
• NAD+ en FAD zijn elektronacceptoren (en hiermee waterstofacceptoren). Hierbij accepteert eerst NAD+ een waterstofmolecuul en elektron waardoor NADH wordt gevormd.
• Hierna staat NADH zijn waterstofmolecuul en elektron af aan FAD, waaruit FADH2 wordt gevormd. Ook FADH2 staat zijn waterstofatomen en elektronen weer af.
• NADH en FADH2 dragen waterstofatomen en de elektronen die hiervan af zijn gekomen over op zuurstof.
• Hierdoor raakt zuurstof gereduceerd (door het krijgen van een extra elektron). Omdat zuurstof hier elektronen en waterstofatomen accepteert, wordt water gevormd.
• Gedurende dit proces worden protonen (H+) richting de intermembraneruimte gepompt, waardoor er een hogere concentratie H+ ontstaat hier (protonmotive force).
• Het verschil in protonenconcentratie zorgt ervoor dat protonen door het kanaal van het enzym ATP-synthase zich verplaatsen richting de matrix. De verplaatsing van deze protonen zorgt ervoor dat ATP-synthase mechanische energie omzet in chemische energie. Hierdoor wordt ADP gekoppeld met een fosfaatgroep, waardoor ATP ontstaat.

Question 36

• Wat gebeurd er de oxidatieve fosforylatie/ademhalingsketen in de mitochondria wanneer de intensiteit van inspanning toeneemt?
• Wat gebeurd er vervolgens tijdens herstel na fysieke inspanning?

Answer 36

• Door de verhoogde inspanning, zullen meer waterstofatomen uit koolhydraten vrijkomen dan deze gebruikt kunnen worden voor oxidatie tijdens de oxidatieve fosforylatie. Om de verhoogde concentratie van H+ bij te houden, moet een ander molecuul dan zuurstof de waterstofatomen kunnen accepteren. Hiervoor komt pyruvaat in de plaats, die H+ accepteert en zo lactaat vormt. Dus hoe hoger de inspanning, hoe meer waterstof er vrijkomt uit koolhydraten en hoe meer lactaat er als gevolg wordt geproduceerd.
• Tijdens herstel worden de overige waterstofatomen van lactaat geoxideerd (de elektronen hiervan worden overgedragen aan NAD+). Uit twee H+ ionen en een lactaat molecuul, kan pyruvaat weer gevormd worden.