Inhoud
Alle organismen maken gebruik van een molecuul genaamd glucose en een proces genaamd glycolyse om te voorzien in sommige of al hun energiebehoeften. Voor eencellige prokaryotische organismen, zoals bacteriën, is dit het enige beschikbare proces voor het genereren van ATP (adenosinetrifosfaat, de "energievaluta" van cellen).
Eukaryote organismen (dieren, planten en schimmels) hebben meer geavanceerde cellulaire machines en kunnen veel meer uit een glucosemolecuul halen - in feite meer dan vijftien keer zoveel ATP. Dit komt omdat deze cellen cellulaire ademhaling toepassen, wat in zijn geheel glycolyse plus aerobe ademhaling is.
Een reactie waarbij oxidatieve decarboxylering in cellulaire ademhaling genaamd de brugreactie dient als een verwerkingscentrum tussen de strikt anaërobe reacties van glycolyse en de twee stappen van aerobe ademhaling die optreden in de mitochondriën. Deze brugfase, meer formeel pyruvaatoxidatie genoemd, is dus essentieel.
Het naderen van de brug: glycolyse
Bij glycolyse zet een reeks van tien reacties in het celcytoplasma de zes-koolstof suikermolecuul glucose om in twee moleculen pyruvaat, een drie-koolstof verbinding, terwijl in totaal twee ATP-moleculen worden geproduceerd. In het eerste deel van glycolyse, de investeringsfase genoemd, zijn eigenlijk twee ATP nodig om de reacties te verplaatsen, terwijl in het tweede deel, de retourfase, dit meer dan wordt gecompenseerd door de synthese van vier ATP-moleculen.
Investeringsfase: Glucose heeft een fosfaatgroep bevestigd en wordt vervolgens herschikt in een fructosemolecuul. Aan dit molecuul is op zijn beurt een fosfaatgroep toegevoegd en het resultaat is een dubbel gefosforyleerd fructosemolecuul. Dit molecuul wordt vervolgens gesplitst en wordt twee identieke drie-koolstofmoleculen, elk met zijn eigen fosfaatgroep.
Terugkeer fase: Elk van de twee drie-koolstofmoleculen heeft hetzelfde lot: er zit een andere fosfaatgroep aan vast, en elk van deze wordt gebruikt om ATP te maken van ADP (adenosinedifosfaat) terwijl het wordt herschikt in een pyruvaatmolecuul. Deze fase genereert ook een NADH-molecuul uit een NAD-molecuul+.
De netto energieopbrengst is dus 2 ATP per glucose.
De brugreactie
De brugreactie, ook wel de overgangsreactie, bestaat uit twee stappen. De eerste is de decarboxylatie van pyruvaat, en de tweede is het hechten van wat overblijft aan een molecuul genaamd co-enzym A.
Het uiteinde van het pyruvaatmolecuul is een koolstof dubbel gebonden aan een zuurstofatoom en enkel gebonden aan een hydroxyl (-OH) groep. In de praktijk is het H-atoom in de hydroxylgroep gedissocieerd van het O-atoom, dus kan worden aangenomen dat dit gedeelte van pyruvaat één C-atoom en twee O-atomen heeft. Bij decarboxylering wordt dit verwijderd als CO2of kooldioxide.
Vervolgens wordt het overblijfsel van het pyruvaatmolecuul, een acetylgroep genoemd en met de formule CH3C (= O), wordt verbonden met co-enzym A op de plek die eerder werd ingenomen door de carboxylgroep van pyruvaat. In het proces, NAD+ is gereduceerd tot NADH. Per molecuul glucose is de brugreactie:
2 CH3C (= O) C (O) O- + 2 CoA + 2 NAD+ → 2 CH3C (= O) CoA + 2 NADH
After the Bridge: Aerobic Respiration
Citroenzuurcyclus: De Krebs-cycluslocatie bevindt zich in de mitochondriale matrix (het materiaal in de membranen). Hier combineert acetyl CoA met een vier-koolstofmolecuul genaamd oxaloacetaat tot een zes-koolstofmolecuul, citraat. Dit molecuul wordt in een reeks stappen teruggebracht tot oxaloacetaat, waarbij de cyclus opnieuw wordt gestart.
Het resultaat is 2 ATP samen met 8 NADH en 2 FADH2 (elektronendragers) voor de volgende stap.
Elektronen transportketting: Deze reacties treden op langs het binnenste mitochondriale membraan, waarin vier gespecialiseerde co-enzymgroepen, Complex I tot en met IV genaamd, zijn ingebed. Deze gebruiken de energie in de elektronen op NADH en FADH2 om ATP-synthese aan te sturen, waarbij zuurstof de laatste elektronenacceptor is.
Het resultaat is 32 tot 34 ATP, waarmee de totale energieopbrengst van cellulaire ademhaling op 36 tot 38 ATP per molecuul glucose wordt gebracht.