Inhoud
- De structuur van ATP
- Hoe cellulaire ademhaling ATP produceert
- glycolyse
- De Krebs-cyclus
- De elektronen transportketen
- Hoeveel ATP wordt geproduceerd bij elke fase van cellulaire ademhaling?
- Waarom hebben cellen ATP nodig?
- Welke processen gebruiken ATP?
ATP (adenosine trifosfaat) is een organisch molecuul dat in levende cellen voorkomt. Organismen moeten zich kunnen verplaatsen, reproduceren en voedsel vinden.
Deze activiteiten kosten energie en zijn gebaseerd op chemische reacties in de cellen waaruit het organisme bestaat. De energie voor deze cellulaire reacties komt van het ATP-molecuul.
Het is de voorkeursbron van brandstof voor de meeste levende wezens en wordt vaak de 'moleculaire munteenheid' genoemd.
De structuur van ATP
Het ATP-molecuul bestaat uit drie delen:
Energie wordt opgeslagen in de verbindingen tussen de fosfaatgroepen. Enzymen kunnen een of twee van de fosfaatgroepen losmaken en de opgeslagen energie vrijmaken en activiteiten zoals spiercontractie voeden. Wanneer ATP één fosfaatgroep verliest, wordt het ADP of adenosinedifosfaat. Wanneer ATP twee fosfaatgroepen verliest, verandert dit in AMP of adenosinemonofosfaat.
Hoe cellulaire ademhaling ATP produceert
Het ademhalingsproces op cellulair niveau kent drie fasen.
In de eerste twee fasen worden glucosemoleculen afgebroken en wordt CO2 geproduceerd. Op dit punt wordt een klein aantal ATP-moleculen gesynthetiseerd. Het grootste deel van het ATP wordt gecreëerd tijdens de derde fase van de ademhaling via een eiwitcomplex genaamd ATP-synthase.
De uiteindelijke reactie in die fase combineert een half molecuul zuurstof met waterstof om water te produceren. De gedetailleerde reacties van elke fase zijn als volgt:
glycolyse
Een zes-koolstof glucosemolecuul ontvangt twee fosfaatgroepen van twee ATP-moleculen en verandert ze in ADP. Het zes-koolstof glucosefosfaat wordt opgesplitst in twee drie-koolstof suikermoleculen, elk met een fosfaatgroep eraan vast.
Onder invloed van co-enzym NAD + worden de suikerfosfaatmoleculen drie-koolstof pyruvaatmoleculen. Het NAD + -molecuul wordt NADH, en ATP-moleculen worden gesynthetiseerd uit ADP.
De Krebs-cyclus
De Krebs-cyclus wordt ook wel de citroenzuur cyclus, en het voltooit de afbraak van het glucosemolecuul terwijl het meer ATP-moleculen genereert. Voor elke pyruvaatgroep wordt één NAD + -molecuul geoxideerd tot NADH en het co-enzym A levert een acetylgroep aan de Krebs-cyclus terwijl een koolstofdioxidemolecuul vrijkomt.
Voor elke draai van de cyclus door citroenzuur en zijn derivaten produceert de cyclus vier NADH-moleculen voor elke pyruvaatinvoer. Tegelijkertijd neemt het molecuul FAD twee waterstoffen en twee elektronen aan om te worden FADH2, en er komen nog twee kooldioxide-moleculen vrij.
Ten slotte wordt een enkele ATP-molecule geproduceerd per één draai van de cyclus.
Omdat elk glucosemolecuul twee pyruvaatinvoergroepen produceert, zijn twee beurten van de Krebs-cyclus nodig om één glucosemolecuul te metaboliseren. Deze twee beurten produceren acht NADH-moleculen, twee FADH2-moleculen en zes koolstofdioxidemoleculen.
De elektronen transportketen
De laatste fase van celademhaling is de elektronentransportketen of ENZOVOORT. Deze fase gebruikt zuurstof en de enzymen die door de Krebs-cyclus worden geproduceerd om een groot aantal ATP-moleculen te synthetiseren in een proces dat oxydatieve fosforylering. NADH en FADH2 doneren aanvankelijk elektronen aan de keten en een reeks reacties bouwt potentiële energie op om ATP-moleculen te maken.
Ten eerste worden NADH-moleculen NAD + wanneer ze elektronen doneren aan het eerste eiwitcomplex van de keten. De FADH2-moleculen doneren elektronen en waterstofatomen aan het tweede eiwitcomplex van de keten en worden FAD. De NAD + en FAD-moleculen worden als input teruggevoerd naar de Krebs-cyclus.
Terwijl de elektronen door de keten reizen in een reeks reductie en oxidatie, of redox reacties, de vrijgemaakte energie wordt gebruikt om eiwitten over een membraan te pompen, ofwel het celmembraan voor prokaryoten of in de mitochondria voor eukaryoten.
Wanneer de protonen terug diffunderen over het membraan door een eiwitcomplex genaamd ATP-synthase, wordt de protonenergie gebruikt om een extra fosfaatgroep aan ADP te binden waardoor ATP-moleculen worden gevormd.
Hoeveel ATP wordt geproduceerd bij elke fase van cellulaire ademhaling?
ATP wordt geproduceerd in elke fase van cellulaire ademhaling, maar de eerste twee fasen zijn gericht op het synthetiseren van stoffen voor het gebruik van de derde fase waar het grootste deel van de ATP-productie plaatsvindt.
Glycolyse gebruikt eerst twee ATP-moleculen voor het splitsen van een glucosemolecuul, maar creëert vervolgens vier ATP-moleculen voor een netto winst van twee. De Krebs-cyclus geproduceerd nog twee ATP-moleculen voor elk gebruikt glucosemolecuul. Ten slotte gebruikt de ETC elektronendonors uit de vorige fasen om te produceren 34 moleculen ATP.
De chemische reacties van cellulaire ademhaling produceren daarom in totaal 38 ATP-moleculen voor elk glucosemolecuul dat glycolyse binnenkomt.
In sommige organismen worden twee moleculen ATP gebruikt om NADH van de glycolysereactie in de cel over te dragen naar de mitochondriën. De totale ATP-productie voor deze cellen is 36 ATP-moleculen.
Waarom hebben cellen ATP nodig?
Over het algemeen hebben cellen ATP nodig voor energie, maar er zijn verschillende manieren waarop de potentiële energie uit de fosfaatbindingen van het ATP-molecuul wordt gebruikt. De belangrijkste kenmerken van ATP zijn:
De derde fosfaatgroepbinding is de meest energiek, maar afhankelijk van het proces kan een enzym een of twee van de fosfaatbindingen verbreken. Dit betekent dat de fosfaatgroepen tijdelijk aan de enzymmoleculen worden gehecht en dat ADP of AMP wordt geproduceerd. De ADP- en AMP-moleculen worden later teruggeschakeld naar ATP tijdens cellulaire ademhaling.
De enzymmoleculen breng de fosfaatgroepen over naar andere organische moleculen.
Welke processen gebruiken ATP?
ATP wordt in levende weefsels aangetroffen en het kan celmembranen doorkruisen om energie te leveren waar de organismen het nodig hebben. Drie voorbeelden van ATP-gebruik zijn de synthese van organische moleculen die fosfaatgroepen bevatten, reacties gefaciliteerd door ATP en actief transport van moleculen over membranen. In elk geval geeft ATP een of twee van zijn fosfaatgroepen af om het proces te laten plaatsvinden.
DNA- en RNA-moleculen bestaan bijvoorbeeld uit nucleotiden die fosfaatgroepen kunnen bevatten. Enzymen kunnen fosfaatgroepen van ATP losmaken en ze indien nodig toevoegen aan nucleotiden.
Voor processen waarbij eiwitten betrokken zijn, aminozuren of chemicaliën die worden gebruikt voor spiercontractie, ATP kan een fosfaatgroep aan een organisch molecuul binden. De fosfaatgroep kan delen verwijderen of bijdragen aan het toevoegen van het molecuul en het vervolgens vrijgeven nadat het is gewijzigd. In spiercellen wordt dit soort actie uitgevoerd voor elke samentrekking van de spiercel.
Bij actief transport kan ATP celmembranen passeren en andere stoffen meenemen. Het kan ook fosfaatgroepen aan moleculen binden van vorm veranderen en laat ze door celmembranen gaan. Zonder ATP zouden deze processen stoppen en zouden cellen niet langer kunnen functioneren.