Hoofdstuk 13 hoe cellen energie halen uit voedsel
Cel respiratie, hierbij wordt energie gehaald uit de chemische bindingen in suikers doordat het
suikermolecuul afgebroken en geoxideerd wordt tot koolstofdioxide en water. De energie die hierbij
vrijkomt wordt opgeslagen in activated carriers zoals ATP en NADH.
De afbraak en het gebruik van suikers en vetten
Afbraak, als moleculen zoals glucose in één keer geoxideerd zouden worden tot H2O en CO2 zou de
hoeveelheid energie die daarbij vrijkomt veel groter zijn dan de hoeveelheid energie die een carrier
molecuul kan vangen. Vandaar dat cellen enzymen gebruiken om de oxidatie van suikers in een
gecontroleerd aantal stappen uit te voeren. Hierbij komt de energie in kleine stapjes vrij die door
activated carriers opgeslagen kan worden door gebruik te maken van gekoppelde reacties. Daarnaast
zou je heel veel activatie-energie nodig hebben als de afbraak in 1 keer gebeurt en nu heb je
meerdere keren een redelijke hoeveelheid activatie-energie nodig.
ATP synthese, kan in dierlijke cellen op twee manier plaatsvinden:
1. Substraat level fosforilatie, energetisch voordelige reacties die bij de afbraak van voedsel
betrokken zijn, worden direct gekoppeld aan energetisch ongunstige reacties: 𝐴𝐷𝑃 + 𝑃𝑖 →
𝐴𝑇𝑃.
2. Oxidatieve fosforilering, hierbij wordt de energie van andere activated carriers gebruikt om
ATP productie aan te drijven. Dit proces vindt plaats op het binnenmembraan van de
mitochondria.
Katabolisme, de eiwitten, vetten en polysachariden die
we binnenkrijgen bij het eten moeten eerst afgebroken
worden tot kleinere moleculen voor een cel ze kan
gebruiken (als energiebron of bouwstof). Het
afbraakproces waarbij enzymen complexe organische
moleculen afbreken tot simpelere moleculen noemen
we katabolisme. Dit proces vindt in 3 stappen plaats:
1. Enzymen zetten grote polymere moleculen om
in simpelere monomere subunits. Deze stap
wordt ook wel vertering (digestion) genoemd
en vindt buiten de cellen plaats of in
gespecialiseerde organellen die we lysosomen
noemen.
2. Stap 2 vindt in de cel plaats en hier splitst een
keten van reacties, glycolyse, elk glucose
molecuul in 2 pyruvaat moleculen. Glycolyse
vindt in het cytosol plaatst en hierbij wordt ook
ATP en NADH geproduceerd. Vervolgens gaat
pyruvaat de matrix van de mitochondria in.
Hier bevindt zich een enzymcomplex dat elk
pyruvaat molecuul omzet in CO2 en acetyl CoA.
Dit is een activated carrier en deze ontstaat
ook bij de oxidatieve afbraak van vetzuren.
3. Deze stap vindt geheel in de mitochondria
plaats. Het begint met de overdracht van
acetyl CoA aan oxaalacetaat om citraat te vormen. Citraat volgt dan de citroenzuurcyclus.
Hierin wordt de acetylgroep geoxideerd tot CO2 en bij dit proces komt veel NADH vrij. De
high-energy elektronen van NADH worden vervolgens overgedragen aan enzymen op het
binnenmembraan die tot de elektronentransport keten behoren. De energie wordt daar
gebruikt voor oxidatieve fosforilatie waarbij ATP geproduceerd wordt en O2 geconsumeerd
wordt.
Glycolyse, is kort gezegd de oxidatieve afbraak van glucose tot pyruvaat. Hierbij wordt ATP
geproduceerd zonder O2 te verbruiken en het vindt plaats in het cytosol. De reacties die glucose (6C)
, omzetten in 2 pyruvaat (3C) staan energie af doordat de elektronen in pyruvaat zich in een lagere
energetische toestand bevinden dan die in glucose. Desondanks worden er per glucose molecuul 2
ATP moleculen geïnvesteerd om het suiker voor te bereiden op te splitsing. In de reactie worden
echter 4 ATP moleculen geproduceerd, waardoor het netto 2 ATP oplevert. Energie wordt ook
opgeslagen in de vorm van 2 NADH. (Netto= 2 ATP + 2 NADH)
Stappen glycolyse, de glycolyse pathway bestaat uit 10 aparte reactie (zie panel 13-1) die elk een
ander suiker intermediair produceren en door andere enzymen gekatalyseerd worden. Bij glycolyse
komen onderstaande enzymen van pas:
- Kinase, katalyseert de additie van een fosfaatgroep aan moleculen. Zo zet het een
fosfaatgroep van ATP aan een substraat in stap 1 en 3. Andere kinases zetten juist een
fosfaatgroep aan ADP om ATP te vormen in stap 7 en 10.
- Isomerase, katalyseert de herschikking van bindingen binnen een enkel molecuul. Zo bereidt
het moleculen in stap 2 en 5 voor op de chemische aanpassingen die nog zullen komen.
- Dehydrogenase, katalyseert de oxidatie van een molecuul door een waterstofatoom en een
elektron te verwijderen (een hydride ion H-). In stap 6 genereert een dehydrogenase enzym
NADH.
- Mutase, katalyseert het verplaatsen van een chemische groep van de ene positie naar de
andere positie binnen een molecuul. In stap 8 helpt een mutase enzym bij de voorbereiding
van het substraat om in stap 10 een fosfaatgroep af te staan aan ADP.
Isomerase Vs. mutase, na isomerase activiteit zie je een verschil in de bindingen terwijl je na mutase
activiteit enkel een verschil in chemische groepen ziet. Dat is hieronder geïllustreerd en meerdere
voorbeelden vind je in panel 13-1.
Substraat level fosforilatie, vindt plaats in stap 7 en 10 van glycolyse en hierbij wordt een
fosfaatgroep direct van een substraatmolecuul overgebracht op ADP.
Oxidatie, in stap 6 wordt ook nog energie opgeslagen door de oxidatie van NADH. Oxidatie vindt
plaats als elektronen van het ene atoom overgedragen worden op het andere. In stap 6 wordt een H
atoom en een elektron verwijdert van het suiker intermediate en overgedragen aan NAD+.
Aerobe organismen, staan de NADH moleculen die in stap 6 worden geproduceerd af aan de
elektronen transport keten waar de energie van de elektronen gebruikt wordt doordat zij van een
hoog energielevel naar een laag energielevel gebracht worden. Bij deze afgifte van elektronen wordt
NADH weer omgezet in NAD+, waardoor het weer beschikbaar is voor glycolyse.
Anaerobe micro-organismen, kunnen groeien en delen in de afwezigheid van zuurstof. Glycolyse is
de belangrijke bron van ATP voor deze organismen. Hetzelfde geldt voor bepaalde dierlijke cellen die
kunnen functioneren bij lage zuurstofniveaus (skeletspiercellen). Onder deze anaerobe condities
blijft het pyruvaat in het cytosol en wordt het omgezet in producten die de cel uit zullen gaan: lactaat
Cel respiratie, hierbij wordt energie gehaald uit de chemische bindingen in suikers doordat het
suikermolecuul afgebroken en geoxideerd wordt tot koolstofdioxide en water. De energie die hierbij
vrijkomt wordt opgeslagen in activated carriers zoals ATP en NADH.
De afbraak en het gebruik van suikers en vetten
Afbraak, als moleculen zoals glucose in één keer geoxideerd zouden worden tot H2O en CO2 zou de
hoeveelheid energie die daarbij vrijkomt veel groter zijn dan de hoeveelheid energie die een carrier
molecuul kan vangen. Vandaar dat cellen enzymen gebruiken om de oxidatie van suikers in een
gecontroleerd aantal stappen uit te voeren. Hierbij komt de energie in kleine stapjes vrij die door
activated carriers opgeslagen kan worden door gebruik te maken van gekoppelde reacties. Daarnaast
zou je heel veel activatie-energie nodig hebben als de afbraak in 1 keer gebeurt en nu heb je
meerdere keren een redelijke hoeveelheid activatie-energie nodig.
ATP synthese, kan in dierlijke cellen op twee manier plaatsvinden:
1. Substraat level fosforilatie, energetisch voordelige reacties die bij de afbraak van voedsel
betrokken zijn, worden direct gekoppeld aan energetisch ongunstige reacties: 𝐴𝐷𝑃 + 𝑃𝑖 →
𝐴𝑇𝑃.
2. Oxidatieve fosforilering, hierbij wordt de energie van andere activated carriers gebruikt om
ATP productie aan te drijven. Dit proces vindt plaats op het binnenmembraan van de
mitochondria.
Katabolisme, de eiwitten, vetten en polysachariden die
we binnenkrijgen bij het eten moeten eerst afgebroken
worden tot kleinere moleculen voor een cel ze kan
gebruiken (als energiebron of bouwstof). Het
afbraakproces waarbij enzymen complexe organische
moleculen afbreken tot simpelere moleculen noemen
we katabolisme. Dit proces vindt in 3 stappen plaats:
1. Enzymen zetten grote polymere moleculen om
in simpelere monomere subunits. Deze stap
wordt ook wel vertering (digestion) genoemd
en vindt buiten de cellen plaats of in
gespecialiseerde organellen die we lysosomen
noemen.
2. Stap 2 vindt in de cel plaats en hier splitst een
keten van reacties, glycolyse, elk glucose
molecuul in 2 pyruvaat moleculen. Glycolyse
vindt in het cytosol plaatst en hierbij wordt ook
ATP en NADH geproduceerd. Vervolgens gaat
pyruvaat de matrix van de mitochondria in.
Hier bevindt zich een enzymcomplex dat elk
pyruvaat molecuul omzet in CO2 en acetyl CoA.
Dit is een activated carrier en deze ontstaat
ook bij de oxidatieve afbraak van vetzuren.
3. Deze stap vindt geheel in de mitochondria
plaats. Het begint met de overdracht van
acetyl CoA aan oxaalacetaat om citraat te vormen. Citraat volgt dan de citroenzuurcyclus.
Hierin wordt de acetylgroep geoxideerd tot CO2 en bij dit proces komt veel NADH vrij. De
high-energy elektronen van NADH worden vervolgens overgedragen aan enzymen op het
binnenmembraan die tot de elektronentransport keten behoren. De energie wordt daar
gebruikt voor oxidatieve fosforilatie waarbij ATP geproduceerd wordt en O2 geconsumeerd
wordt.
Glycolyse, is kort gezegd de oxidatieve afbraak van glucose tot pyruvaat. Hierbij wordt ATP
geproduceerd zonder O2 te verbruiken en het vindt plaats in het cytosol. De reacties die glucose (6C)
, omzetten in 2 pyruvaat (3C) staan energie af doordat de elektronen in pyruvaat zich in een lagere
energetische toestand bevinden dan die in glucose. Desondanks worden er per glucose molecuul 2
ATP moleculen geïnvesteerd om het suiker voor te bereiden op te splitsing. In de reactie worden
echter 4 ATP moleculen geproduceerd, waardoor het netto 2 ATP oplevert. Energie wordt ook
opgeslagen in de vorm van 2 NADH. (Netto= 2 ATP + 2 NADH)
Stappen glycolyse, de glycolyse pathway bestaat uit 10 aparte reactie (zie panel 13-1) die elk een
ander suiker intermediair produceren en door andere enzymen gekatalyseerd worden. Bij glycolyse
komen onderstaande enzymen van pas:
- Kinase, katalyseert de additie van een fosfaatgroep aan moleculen. Zo zet het een
fosfaatgroep van ATP aan een substraat in stap 1 en 3. Andere kinases zetten juist een
fosfaatgroep aan ADP om ATP te vormen in stap 7 en 10.
- Isomerase, katalyseert de herschikking van bindingen binnen een enkel molecuul. Zo bereidt
het moleculen in stap 2 en 5 voor op de chemische aanpassingen die nog zullen komen.
- Dehydrogenase, katalyseert de oxidatie van een molecuul door een waterstofatoom en een
elektron te verwijderen (een hydride ion H-). In stap 6 genereert een dehydrogenase enzym
NADH.
- Mutase, katalyseert het verplaatsen van een chemische groep van de ene positie naar de
andere positie binnen een molecuul. In stap 8 helpt een mutase enzym bij de voorbereiding
van het substraat om in stap 10 een fosfaatgroep af te staan aan ADP.
Isomerase Vs. mutase, na isomerase activiteit zie je een verschil in de bindingen terwijl je na mutase
activiteit enkel een verschil in chemische groepen ziet. Dat is hieronder geïllustreerd en meerdere
voorbeelden vind je in panel 13-1.
Substraat level fosforilatie, vindt plaats in stap 7 en 10 van glycolyse en hierbij wordt een
fosfaatgroep direct van een substraatmolecuul overgebracht op ADP.
Oxidatie, in stap 6 wordt ook nog energie opgeslagen door de oxidatie van NADH. Oxidatie vindt
plaats als elektronen van het ene atoom overgedragen worden op het andere. In stap 6 wordt een H
atoom en een elektron verwijdert van het suiker intermediate en overgedragen aan NAD+.
Aerobe organismen, staan de NADH moleculen die in stap 6 worden geproduceerd af aan de
elektronen transport keten waar de energie van de elektronen gebruikt wordt doordat zij van een
hoog energielevel naar een laag energielevel gebracht worden. Bij deze afgifte van elektronen wordt
NADH weer omgezet in NAD+, waardoor het weer beschikbaar is voor glycolyse.
Anaerobe micro-organismen, kunnen groeien en delen in de afwezigheid van zuurstof. Glycolyse is
de belangrijke bron van ATP voor deze organismen. Hetzelfde geldt voor bepaalde dierlijke cellen die
kunnen functioneren bij lage zuurstofniveaus (skeletspiercellen). Onder deze anaerobe condities
blijft het pyruvaat in het cytosol en wordt het omgezet in producten die de cel uit zullen gaan: lactaat
