Cellen zijn microscopisch kleine, multifunctionele containers die de kleinste ondeelbare eenheden van het leven vertegenwoordigen in die zin dat ze reproductie, metabolisme en andere "levensechte" eigenschappen vertonen. Aangezien prokaryotische organismen (leden van de classificatiedomeinen Bacteria en Archaea) bijna altijd uit een enkele cel bestaan, leven veel op zichzelf staande cellen letterlijk.
Cellen maken gebruik van een molecuul genaamd adenosinetrifosfaat, of ATP, als brandstofbron. prokaryoten vertrouw uitsluitend op glycolyse – de afbraak van glucose tot pyruvaat – als een weg naar de synthese van ATP; dit proces levert in totaal 2 ATP per molecuul glucose op.
In tegenstelling tot, eukaryoten – dieren, planten en schimmels – zijn beide veel groter en bevatten veel complexere individuele cellen dan prokaryoten, waardoor glycolyse alleen onvoldoende is voor hun energiebehoeften. Dat is waar cellulaire ademhaling, de volledige afbraak van glucose in aanwezigheid van moleculaire zuurstof (O2) in kooldioxide (CO2) en water (H2O) om ATP te vormen, komt binnen.
Lees meer over wat cellulaire ademhaling is.
Terminologie van cellulair metabolisme
Het cellulaire ademhalingsproces vindt plaats in eukaryoten en omvat technisch gezien glycolyse, de citroenzuurcyclus en de elektronentransportketen (ETC). Dit is zo omdat alle cellen behandelen glucose aanvankelijk op dezelfde manier - door het door glycolyse te laten gaan. Dan, in prokaryoten, kan pyruvaat alleen de fermentatie ingaan, waardoor glycolyse "stroomopwaarts" kan doorgaan door de regeneratie van een tussenproduct genaamd NAD+.
Omdat eukaryoten zuurstof kunnen gebruiken, komen de koolstofmoleculen van pyruvaat de Krebs-cyclus binnen als acetyl CoA en verlaten ze uiteindelijk de ETC als koolstofdioxide (CO2). De cellulaire ademhalingsproducten die van belang zijn, zijn de 34 tot 36 ATP die worden gegenereerd in de Krebs-cyclus en de ETC samen - de twee delen van cellulaire ademhaling die tellen als aerobics ("met zuurstof") ademhaling.
De reacties van cellulaire ademhaling
De volledige, evenwichtige reactie van het gehele cellulaire ademhalingsproces kan worden weergegeven door:
C6H12O6 + 6O2 → 6 CO2 + 6 H2O + ~38 ATP
Glycolyse alleen, een vorm van anaërobe ademhaling die optreedt in het cytoplasma, bestaat uit de reactie:
C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pik → 2 CH3(C=O)COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H+ + 2 H2O
In eukaryoten, a overgangsreactie in mitochondriën genereert acetyl co-enzym A (acetyl CoA) voor de Krebs-cyclus:
2 CH3(C=O)COOH + 2 NAD+ + 2 co-enzym A → 2 acetyl CoA + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO2
de CO2 komt dan in de Krebs-cyclus door zich aan te sluiten bij oxaalacetaat.
Stadia van cellulaire ademhaling
Cellulaire ademhaling begint met glycolyse, een reeks van 10 reacties waarin een glucosemolecuul wordt gefosforyleerd twee keer (dat wil zeggen, het heeft twee fosfaatgroepen bevestigd aan verschillende koolstoffen) met behulp van 2 ATP, en vervolgens gesplitst in twee drie-koolstofverbindingen die elk 2 ATP opleveren op weg naar de vorming van pyruvaat. Zo levert glycolyse direct 2 ATP per glucosemolecuul en twee moleculen van de elektronendrager NADH, die stroomafwaarts een sterke rol speelt in de ETC.
In de Krebs-cyclus, CO2 en de vier-koolstofverbinding oxaalacetaat samenvoegen om het zes-koolstofmolecuul te vormen citraat. Citraat wordt geleidelijk weer gereduceerd tot oxaalacetaat, waarbij een paar CO. wordt afgedraaid2 moleculen en genereert ook 2 ATP per CO2 molecuul dat de cyclus binnenkomt, of 4 ATP per glucose molecuul ver stroomopwaarts. Wat nog belangrijker is, een totaal van 6 NADH en 2 FADH2 (een andere elektronendrager) worden gesynthetiseerd.
Ten slotte zijn de elektronen van NADH en FADH2 (dat wil zeggen, hun waterstofatomen) worden weggestript door enzymen van de elektronentransportketen en gebruikt om de aanhechting van fosfaten aan ADP te stimuleren, wat veel ATP oplevert - ongeveer 32 in totaal. Bij deze stap komt ook water vrij. Dus de maximale ATP-opbrengst van cellulaire ademhaling door glycolyse, de Krebs-cyclus en de ETC is 2 + 4 + 32 = 38 ATP per molecuul glucose.
Lees meer over de vier stadia van cellulaire ademhaling.