Inhoud
- Een snel overzicht
- Energie wordt opgeslagen in de ATP-fosfaatbindingen
- Glycolyse maakt de weg vrij voor oxidatie
- Plaats
- De Krebs Citroenzuurcyclus produceert elektronendonoren
- De elektrontransportketen produceert de meeste ATP-moleculen
- Cellulaire ademhaling bij mensen is een eenvoudig concept met complexe processen
Het doel van cellulaire ademhaling is om glucose uit voedsel om te zetten in energie.
Cellen breken glucose af in een reeks complexe chemische reacties en combineren de reactieproducten met zuurstof om energie in op te slaan adenosine trifosfaat (ATP) moleculen. De ATP-moleculen worden gebruikt om celactiviteiten aan te drijven en fungeren als de universele energiebron voor levende organismen.
Een snel overzicht
Cellulaire ademhaling bij mensen begint in het spijsverteringsstelsel en de luchtwegen. Voedsel wordt verteerd in de darmen en omgezet in glucose. Zuurstof wordt opgenomen in de longen en opgeslagen in rode bloedcellen. De glucose en de zuurstof reizen via de bloedsomloop het lichaam in om cellen te bereiken die energie nodig hebben.
De cellen gebruiken de glucose en zuurstof uit de bloedsomloop voor energieproductie. Ze leveren het afvalproduct, koolstofdioxide, terug aan de rode bloedcellen en het koolstofdioxide komt via de longen in de atmosfeer terecht.
Terwijl de spijsvertering, de luchtwegen en de bloedsomloop een belangrijke rol spelen bij de menselijke ademhaling, vindt ademhaling op cellulair niveau plaats in de cellen en in de mitochondria van de cellen. Het proces kan worden onderverdeeld in drie afzonderlijke stappen:
In de algehele cellulaire ademhalingsreactie produceert elk glucosemolecuul 36 of 38 moleculen ATP, afhankelijk van het celtype. Cellulaire ademhaling bij mensen is een continu proces en vereist een continue toevoer van zuurstof. Bij afwezigheid van zuurstof stopt het cellulaire ademhalingsproces bij glycolyse.
Energie wordt opgeslagen in de ATP-fosfaatbindingen
Het doel van celademhaling is om ATP-moleculen te produceren via de oxydatie van glucose.
De cellulaire ademhalingsformule voor de productie van 36 ATP-moleculen uit een glucosemolecule is bijvoorbeeld C6H12O6 + 6O2 = 6 CO2 + 6H2O + energie (36ATP-moleculen). De ATP-moleculen slaan energie op in hun drie fosfaat groep obligaties.
De door de cel geproduceerde energie wordt opgeslagen in de binding van de derde fosfaatgroep, die tijdens het cellulaire ademhalingsproces aan de ATP-moleculen wordt toegevoegd. Wanneer de energie nodig is, wordt de derde fosfaatbinding verbroken en gebruikt voor chemische celreacties. Een adenosinedifosfaat (ADP) molecuul met twee fosfaatgroepen blijft achter.
Tijdens cellulaire ademhaling wordt de energie van het oxidatieproces gebruikt om het ADP-molecuul terug te veranderen in ATP door een derde fosfaatgroep toe te voegen. Het ATP-molecuul is dan weer klaar om deze derde binding te verbreken om energie vrij te maken die de cel kan gebruiken.
Glycolyse maakt de weg vrij voor oxidatie
Bij glycolyse wordt een glucosemolecuul met zes koolstofatomen in twee delen gesplitst om er twee te vormen pyruvaat moleculen in een reeks reacties. Nadat het glucosemolecuul de cel is binnengekomen, ontvangen de twee drie koolstofhelften elk twee fosfaatgroepen in twee afzonderlijke stappen.
Eerst twee ATP-moleculen fosforyleren de twee helften van het glucosemolecuul door aan elk een fosfaatgroep toe te voegen. Enzymen voegen vervolgens nog een fosfaatgroep toe aan elk van de helften van het glucosemolecuul, wat resulteert in twee drie-koolstofmolecuulhelften, elk met twee fosfaatgroepen.
In twee laatste en parallelle reeksen reacties verliezen de twee gefosforyleerde drie-koolstofhelften van het oorspronkelijke glucosemolecuul hun fosfaatgroepen om de twee pyruvaatmoleculen te vormen. De uiteindelijke splitsing van het glucosemolecuul geeft energie vrij die wordt gebruikt om de fosfaatgroepen aan ADP-moleculen toe te voegen en ATP te vormen.
Elke helft van het glucosemolecuul verliest zijn twee fosfaatgroepen en produceert het pyruvaatmolecuul en twee ATP-moleculen.
Plaats
Glycolyse vindt plaats in de celcytosol, maar de rest van het cellulaire ademhalingsproces gaat naar de mitochondria. Glycolyse vereist geen zuurstof, maar zodra het pyruvaat de mitochondria is binnengegaan, is zuurstof vereist voor alle verdere stappen.
De mitochondriën zijn de energiefabrieken die zuurstof en pyruvaat door hun buitenmembraan laten binnendringen en vervolgens de reactieproducten kooldioxide en ATP terug laten gaan naar de cel en verder in de bloedsomloop.
De Krebs Citroenzuurcyclus produceert elektronendonoren
De citroenzuurcyclus is een reeks circulaire chemische reacties die NADH en FADH genereren2 moleculen. Deze twee verbindingen komen in de volgende stap van cellulaire ademhaling, de elektron transportketenen doneer de eerste elektronen die in de keten worden gebruikt. Het resulterende NAD+ en FAD-verbindingen worden teruggevoerd naar de citroenzuurcyclus om terug te worden veranderd naar hun oorspronkelijke NADH en FADH2 vormen en gerecycled.
Wanneer de drie-koolstof pyruvaatmoleculen de mitochondriën binnentreden, verliezen ze een van hun koolstof-moleculen om kooldioxide en een twee-koolstofverbinding te vormen. Dit reactieproduct wordt vervolgens geoxideerd en verbonden co-enzym A om twee te vormen acetyl COA moleculen. In de loop van de citroenzuurcyclus worden de koolstofverbindingen gekoppeld aan een vier-koolstofverbinding om een zes-koolstofcitraat te produceren.
In een reeks reacties geeft het citraat twee koolstofatomen af als koolstofdioxide en produceert het 3 NADH, 1 ATP en 1 FADH2 moleculen. Aan het einde van het proces vormt de cyclus de oorspronkelijke vier-koolstofverbinding opnieuw en begint opnieuw. De reacties vinden plaats in het binnenland van de mitochondriën, en de NADH en FADH2 moleculen nemen dan deel aan de elektronentransportketen op het binnenmembraan van de mitochondriën.
De elektrontransportketen produceert de meeste ATP-moleculen
De elektronentransportketen bestaat uit vier eiwitcomplexen gelegen op het binnenste membraan van de mitochondriën. NADH schenkt elektronen aan het eerste eiwitcomplex terwijl FADH2 geeft zijn elektronen aan het tweede eiwitcomplex. De eiwitcomplexen passeren de elektronen langs de transportketen in een reeks reductie-oxidatie of redox reacties.
Energie komt vrij tijdens elke redoxfase en elk eiwitcomplex gebruikt het om te pompen protonen over het mitochondriale membraan in de intermembraanruimte tussen de binnen- en buitenmembranen. De elektronen gaan door naar het vierde en laatste eiwitcomplex waar zuurstofmoleculen fungeren als de uiteindelijke elektronenacceptoren. Twee waterstofatomen combineren met een zuurstofatoom om watermoleculen te vormen.
Naarmate de concentratie van protonen buiten het binnenmembraan toeneemt, wordt een energiegradiënt is gevestigd, en heeft de neiging de protonen terug over het membraan aan te trekken naar de kant met de lagere protonenconcentratie. Een binnenmembraanenzym genoemd ATP-synthase biedt de protonen een doorgang terug door het binnenmembraan.
Terwijl de protonen door ATP-synthase gaan, gebruikt het enzym de protonenergie om ADP in ATP te veranderen, waarbij de protonenergie van de elektronentransportketen in de ATP-moleculen wordt opgeslagen.
Cellulaire ademhaling bij mensen is een eenvoudig concept met complexe processen
De complexe biologische en chemische processen die de ademhaling op cellulair niveau vormen, omvatten enzymen, protonpompen en eiwitten die op zeer ingewikkelde manieren op moleculair niveau op elkaar inwerken. Hoewel de invoer van glucose en zuurstof eenvoudige stoffen zijn, zijn de enzymen en eiwitten dat niet.
Een overzicht van glycolyse, de Krebs- of citroenzuurcyclus en de elektronenoverdrachtsketen helpt aantonen hoe cellulaire ademhaling op een basisniveau werkt, maar de feitelijke werking van deze fasen is veel complexer.
Het concept van cellulaire ademhaling beschrijven is eenvoudiger op een conceptueel niveau. Het lichaam neemt voedingsstoffen en zuurstof op en verdeelt de glucose in het voedsel en de zuurstof naar individuele cellen als dat nodig is. De cellen oxideren de glucosemoleculen om chemische energie, kooldioxide en water te produceren.
De energie wordt gebruikt om een derde fosfaatgroep aan een ADP-molecuul toe te voegen om ATP te vormen, en het koolstofdioxide wordt via de longen geëlimineerd. ATP-energie van de derde fosfaatbinding wordt gebruikt om andere celfuncties aan te drijven. Dat is hoe cellulaire ademhaling de basis vormt voor alle andere menselijke activiteiten.