Celbiologie/Energie in een cel

Inleiding

Cellen hebben energie van buiten de cel nodig om hun talrijke processen te onderhouden. De zon brengt energie in het ecosysteem. Zonlicht en warmte wordt door de bladeren van planten omgezet in zuurstof en organische moleculen zoals koolhydraten, eiwitten en vetten. Organismen eten die koolhydraten, eiwitten en vetten op en verteren deze stoffen tot kleinere organische moleculen Die moleculen worden verbrand voor energie. Deze energie wordt weer vastgelegd in ATP, het "energiekarretje" van het lichaam; overal waar energie nodig is wordt ATP gebruikt. De energie wordt uit het organische molecuul gehaald door het afbreken van een organisch molecuul. Daarbij komt ook energie vrij uit het overhevelen van lading. Het uiteindelijke doel van het afbreken is het maken van zo veel mogelijk ATP. Dit proces wordt in zijn geheel behandeld in het komende hoofdstuk. Belangrijk om te weten voor de rest van het verhaal is dat de eerste stap, glycolyse, niet plaatsvindt in het mitochondrium.

Het proces

We behandelen eerst glucose, de basis van koolhydraten. Het vrijmaken van energie uit moleculen gebeurt in drie grote processen: 1. Glycolyse 2. De Citroenzuur Cyclus en 3. Oxidatieve Fosfolysering Dit samen noemt men verbranding.

Sommige stappen in glycolyse en de citroenzuurcyclus zijn de zogenaamde redoxreacties. Dit zijn chemische reacties waarbij door het uitwisselen van elektronen elektrische lading wordt overgedragen. Deze lading wordt door speciale moleculen opgenomen met de namen: NADH en FADH2. Deze moleculen brengen de lading naar de laatste stap: oxidatieve fosforylering.

Glycolyse

“Glycolyse” betekent “suiker splijten”. En dat is ook precies wat er gebeurt. Bij glycolyse wordt glucose in tien stappen omgezet in 2 moleculen pyrodruivenzuur. Deze reactie gebeurt zonder zuurstof, en kost in eerste instantie energie, twee ATP-moleculen. In de tweede fase van de glycolyse worden vier ATP-moleculen gevormd, wat het netto resultaat tot 2 ATP-moleculen maakt.

Citroenzuurcyclus

Het restproduct van glycolyse, pyrodruivenzuur, wordt gebruikt bij de citroenzuurcyclus. Voordat de cyclus kan beginnen, wordt pyrodruivenzuur aangepast. Het molecuul bevat namelijk een gedeelte waar de cel geen energie meer uit kan halen. Dat gedeelte wordt van het molecuul afgehaald en verdwijnt als koolstofdioxide. Ook bevat het molecuul vrije energie in de vorm van elektronen, die worden opgenomen door een speciaal transportmolecuul. De derde aanpassing is het aanhaken van een speciaal enzym, co-enzym A (CoA). Omdat het molecuul is aangepast, geven we het ook een andere naam acetyl-CoA.

De cyclus bestaat uit 8 stappen, waarbij acetyl-CoA wordt omgezet in 3 koolstofdioxidemoleculen. Per keer wordt in de cyclus 1 molecule ATP gemaakt, maar de meeste chemische energie gaat via elektronenoverdracht naar speciale moleculen en wordt bewaard voor fosforylering. De citroenzuurcyclus kan alleen plaats vinden als er zuurstof aanwezig is.

Oxidatieve fosforylering

In de vorige twee processen is veel energie vrijgemaakt en opgevangen in de speciale moleculen NADH en FADH2. Deze moleculen komen van pas in het fosforyleringsproces. De moleculen gebruiken hun energie om indirect een “ATP-generator” aan te drijven. Deze generator gebruikt de energie om vele ATP-moleculen te maken. Oxidatieve fosforylering produceert tot wel 30 moleculen ATP. De combinatie van glycolyse, citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering zorgen er voor dat ongeveer 40% van de energie uit de glucose wordt benut. Dat is een veel rendement dan van hedendaagse motoren. De citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering kunnen alleen plaatsvinden als er zuurstof is.

Gisting

Soms is er geen zuurstof aanwezig, maar heeft een cel wel energie nodig (in de vorm van ATP). In dat geval schakelt de cel over op anaërobe (zonder zuurstof) energiewinning. Een voorbeeld daarvan is gisting. Het gistingsproces begint na de glycolyse.

Er zijn verschillende soorten gisting, bijvoorbeeld melkzuurgisting en alcoholische gisting.

Bij alcoholische gisting wordt het pyrodruivezuur omgezet in ethanol, waarbij koolstofdioxide en energie vrijkomen. Dit proces wordt door bakkers en wijnmakers gebruikt. Door de koolstofdioxide rijst brood en de alcohol is voor de wijn en biermakers interessant. Bij melkzuurgisting wordt pyrodruivezuur omgezet in lactose waarbij energie vrijkomt. Deze energie wordt gebruikt om ATP-moleculen te maken.

Gisting maakt in vergelijking met verbranding 19 keer minder ATP uit glucose. Verbranding heeft dus een veel hoger rendement.