Al het leven heeft energie nodig om de functies van het leven uit te voeren. Zelfs zitten en lezen kost energie. Groei, spijsvertering, motoriek: het kost allemaal energie. Een marathon lopen kost veel energie. Dus waar komt al die energie vandaan?
Brandstof voor energie
De energie die nodig is om de functies van het leven uit te voeren, komt van de afbraak van suiker. Fotosynthese gebruikt de energie van de zon om koolstofdioxide en water te combineren om glucose (suiker) te vormen, waarbij zuurstof als afvalproduct wordt afgegeven. Planten slaan deze glucose op als suiker of als zetmeel. Dieren, schimmels, bacteriën en - soms - andere planten voeden zich met deze plantaardige hulpbronnen en breken het zetmeel of de suiker af om de opgeslagen energie vrij te maken.
Fermentatie en cellulaire ademhaling vergelijken
Fermentatie en cellulaire ademhaling verschillen in één kritische factor: zuurstof. Cellulaire ademhaling gebruikt zuurstof in de chemische reactie die energie vrijmaakt uit voedsel. Fermentatie vindt plaats in een anaërobe of zuurstofarme omgeving. Omdat fermentatie geen zuurstof gebruikt, breekt het suikermolecuul niet volledig af en komt er dus minder energie vrij. Het fermentatieproces in cellen geeft ongeveer twee energie-eenheden vrij, terwijl cellulaire ademhaling in totaal ongeveer 38 energie-eenheden vrijgeeft.
Energie uit cellulaire ademhaling
Bij cellulaire ademhaling combineert zuurstof met suikers om energie vrij te maken. Dit proces begint in het cytoplasma en wordt voltooid in de mitochondriën. In het cytoplasma wordt één suiker opgesplitst in twee moleculen pyrodruivenzuur, waarbij twee energie-eenheden adenosinetrifosfaat of ATP vrijkomen. De twee pyrodruivenzuurmoleculen gaan de mitochondriën binnen waar elk molecuul wordt omgezet in een molecuul dat acetyl CoA wordt genoemd. De waterstofatomen van het acetyl CoA worden verwijderd in aanwezigheid van zuurstof, waarbij telkens een elektron vrijkomt, totdat er geen waterstof meer over is. Op dit punt is het acetyl-CoA afgebroken en blijven alleen koolstofdioxide en water over. Bij dit proces komen vier ATP-energie-eenheden vrij. Nu gaan de elektronen door de elektronentransportketen, waarbij uiteindelijk ongeveer 32 ATP-eenheden vrijkomen. Dus het proces van cellulaire ademhaling maakt ongeveer 38 ATP-energie-eenheden vrij van elk glucosemolecuul.
Energie uit het fermentatieproces
Wat als de cel niet genoeg zuurstof heeft voor cellulaire ademhaling? De uitdrukking "voel de verbranding" is het resultaat van deze anaërobe route. Als het zuurstofniveau van de cel te laag is voor cellulaire ademhaling, meestal omdat de longen de zuurstofbehoefte van de cel niet kunnen bijhouden, vindt fermentatie cellulaire ademhaling plaats. In dit geval breekt het suikermolecuul alleen af in het cytoplasma van de cel, waarbij ongeveer twee ATP-energie-eenheden vrijkomen. Het afbraakproces gaat niet door in de mitochondriën. Bij deze gedeeltelijke afbraak van de glucose komt een klein beetje energie vrij zodat de cel kan blijven werken, maar de onvolledige reactie produceert melkzuur dat zich in de cel ophoopt. Deze melkzuurfermentatie veroorzaakt het brandende gevoel wanneer de spieren niet genoeg zuurstof krijgen voor cellulaire ademhaling.