Wat is de belangrijkste bron van celenergie?

Je hebt waarschijnlijk al van jongs af aan begrepen dat het voedsel dat je eet "iets" veel kleiner moet worden dan dat voedsel voor wat er "in" voedsel zit om je lichaam te kunnen helpen. Het is namelijk zo dat, meer specifiek, een enkel molecuul van een type type koolhydraat geclassificeerd als a suiker is de ultieme brandstofbron in elke metabolische reactie die op elk moment in elke cel plaatsvindt.

Dat molecuul is glucose, een zes-koolstofmolecuul in de vorm van een stekelige ring. In alle cellen komt het binnen in glycolyse, en in complexere cellen neemt het ook deel aan fermentatie, fotosynthese en cellulaire ademhaling in verschillende mate in verschillende organismen.

Maar een andere manier om de vraag te beantwoorden: "Welk molecuul wordt door cellen als energiebron gebruikt?" interpreteert het als: "Welke molecule? direct voedt de eigen processen van de cel?"

Dat "aandrijvende" molecuul, dat net als glucose in alle cellen actief is, is ATP, of adenosine trifosfaat

Het beantwoorden van deze vraag is vergelijkbaar met het begrijpen van het verschil tussen zeggen "Mensen halen fossiele brandstoffen uit de grond" en "Mensen halen fossiele brandstoffen uit de grond". brandstofenergie uit kolencentrales." Beide uitspraken zijn waar, maar hebben betrekking op verschillende stadia in de energieomzettingsketen van metabole reacties. In levende wezens, glucose is de fundamentele voedingsstof, maar ATP is de basis brandstof.

Alle levende wezens behoren tot een van de twee brede categorieën: prokaryoten en eukaryoten. Prokaryoten zijn de eencellige organismen van de taxonomische domeinen Bacteriën en Archaea, terwijl eukaryoten allemaal in het domein Eukaryota vallen, dat dieren, planten, schimmels en protisten omvat.

Prokaryoten zijn klein en eenvoudig in vergelijking met eukaryoten; hun cellen zijn dienovereenkomstig minder complex. In de meeste gevallen is een prokaryotische cel hetzelfde als een prokaryotisch organisme, en de energiebehoefte van een bacterie is veel lager dan die van een eukaryote cel.

Prokaryote cellen hebben dezelfde vier componenten die in alle cellen in de natuurlijke wereld voorkomen: DNA, een celmembraan, cytoplasma en ribosomen. Hun cytoplasma bevat alle enzymen die nodig zijn voor glycolyse, maar de afwezigheid van mitochondriën en chloroplasten betekent dat glycolyse echt de enige metabole route is die beschikbaar is voor prokaryoten.

Lees meer over de overeenkomsten en verschillen tussen prokaryotische en eukaryote cellen.

Glucose is een suiker met zes koolstofatomen in de vorm van een ring, in diagrammen weergegeven door een zeshoekige vorm. De chemische formule is C₆H₁₂O₆, waardoor het een C/H/O-verhouding van 1:2:1 krijgt; dit is in feite waar, of alle biomoleculen die als koolhydraten zijn geclassificeerd.

Glucose wordt beschouwd als een monosacharide, wat betekent dat het niet kan worden gereduceerd tot verschillende, kleinere suikers door waterstofbruggen tussen verschillende componenten te verbreken. Fructose is een ander monosacharide; sucrose (tafelsuiker), die wordt gemaakt door glucose en fructose samen te voegen, wordt beschouwd als een disacharide.

Glucose wordt ook "bloedsuiker" genoemd, omdat het deze verbinding is waarvan de concentratie in het bloed wordt gemeten wanneer een kliniek of ziekenhuislaboratorium de metabole status van een patiënt bepaalt. Het kan rechtstreeks in de bloedbaan worden toegediend in intraveneuze oplossingen, omdat het niet moet worden afgebroken voordat het lichaamscellen binnendringt.

ATP is een nucleotide, wat betekent dat het bestaat uit een van de vijf verschillende stikstofbasen, een suiker met vijf koolstofatomen genaamd ribose en een tot drie fosfaatgroepen. De basen in nucleotiden kunnen adenine (A), cytosine (C), guanine (G), thymine (T) of uracil (U) zijn. Nucleotiden zijn de bouwstenen van de nucleïnezuren DNA en RNA; A, C en G worden gevonden in beide nucleïnezuren, terwijl T alleen in DNA wordt gevonden en U alleen in RNA.

De "TP" in ATP staat, zoals je hebt gezien, voor "trifosfaat" en geeft aan dat ATP het maximale aantal fosfaatgroepen heeft dat een nucleotide kan hebben - drie. De meeste ATP wordt gemaakt door de aanhechting van een fosfaatgroep aan ADP, of adenosinedifosfaat, een proces dat bekend staat als fosforylering.

ATP en zijn derivaten hebben een breed scala aan toepassingen in de biochemie en geneeskunde, waarvan vele zich in de verkennende stadia bevinden nu de 21e eeuw het derde decennium nadert.

Het vrijkomen van energie uit voedsel omvat het verbreken van de chemische bindingen in voedselcomponenten en het benutten van deze energie voor de synthese van ATP-moleculen. Koolhydraten zijn bijvoorbeeld allemaal geoxideerd uiteindelijk tot koolstofdioxide (CO₂) en water (H₂O). Vetten worden ook geoxideerd, waarbij hun vetzuurketens acetaatmoleculen opleveren die vervolgens de aerobe ademhaling binnengaan in eukaryote mitochondriën.

De afbraakproducten van eiwitten zijn rijk aan stikstof en worden gebruikt voor de opbouw van andere eiwitten en nucleïnezuren. Maar sommige van de 20 aminozuren waaruit eiwitten zijn opgebouwd, kunnen worden gewijzigd en het cellulaire metabolisme binnengaan op het niveau van cellulaire ademhaling (bijvoorbeeld na glycolyse)

Samenvatting:Glycolyse produceert direct 2 ATP voor elk molecuul glucose; het levert pyruvaat- en elektronendragers voor verdere metabolische processen.

Glycolyse is een reeks van tien reacties waarbij een glucosemolecuul wordt omgezet in twee moleculen van het drie-koolstofmolecuul pyruvaat, waarbij onderweg 2 ATP wordt verkregen. Het bestaat uit een vroege "investeringsfase" waarin 2 ATP wordt gebruikt om fosfaatgroepen aan het verschuivende glucosemolecuul te hechten, en een latere "terugkeer"-fase in waarbij het glucosederivaat, nadat het is gesplitst in een paar tussenverbindingen met drie koolstofatomen, 2 ATP per drie koolstofverbindingen oplevert en deze 4 algemeen.

Dit betekent dat het netto-effect van glycolyse is om 2 ATP per glucosemolecuul te produceren, aangezien 2 ATP wordt verbruikt in de investeringsfase, maar in totaal 4 ATP wordt gemaakt in de uitbetalingsfase.

Lees meer over glycolyse.

Samenvatting:Fermentatie vult NAD. aan⁺ voor glycolyse; het produceert direct geen ATP.

Wanneer er onvoldoende zuurstof aanwezig is om aan de energiebehoefte te voldoen, zoals wanneer u heel hard loopt of zwaar aan het tillen bent, kan glycolyse het enige beschikbare stofwisselingsproces zijn. Dit is waar de "melkzuurverbranding" waar je misschien van hebt gehoord binnenkomt. Als pyruvaat niet in de aërobe ademhaling kan komen zoals hieronder beschreven, wordt het omgezet in lactaat, dat zelf doet niet veel goeds, maar zorgt ervoor dat de glycolyse kan doorgaan door een belangrijk intermediair molecuul te leveren genaamd NAD⁺.

Samenvatting:De Krebs-cyclus produceert 1 ATP per omwenteling van de cyclus (en dus 2 ATP per glucose "stroomopwaarts", aangezien 2 pyruvaat 2 acetyl CoA kan maken).

Onder normale omstandigheden van voldoende zuurstof beweegt bijna al het pyruvaat dat wordt gegenereerd bij glycolyse in eukaryoten van het cytoplasma in organellen ("kleine organen") bekend als mitochondriën, waar het wordt omgezet in het twee-koolstofmolecuul acetyl co-enzym A (acetyl CoA) door af te strippen en CO. vrij te geven₂. Dit molecuul combineert met een vier-koolstofmolecuul genaamd oxaalacetaat om citraat te creëren, de eerste stap in wat ook wel de TCA-cyclus of de citroenzuurcyclus wordt genoemd.

Dit "wiel" van reacties reduceerde het citraat uiteindelijk weer tot oxaalacetaat, en gaandeweg wordt een enkele ATP gegenereerd samen met vier zogenaamde hoogenergetische elektronendragers (NADH en FADH).₂).

Samenvatting:De elektronentransportketen levert ongeveer 32 tot 34 ATP per "stroomopwaarts" glucosemolecuul, waardoor het verreweg de grootste bijdrage levert aan cellulaire energie in eukaryoten.

De elektronendragers van de Krebs-cyclus verplaatsen zich van de binnenkant van de mitochondriën naar het binnenmembraan van het organel, waar allerlei gespecialiseerde enzymen, cytochromen genaamd, klaar staan ​​om te werken. Kortom, wanneer de elektronen, in de vorm van waterstofatomen, van hun dragers worden gehaald, wordt de fosforylering van ADP-moleculen tot een groot deel van ATP gestimuleerd.

Zuurstof moet aanwezig zijn als de laatste elektronenacceptor in de cascade die over het membraan plaatsvindt om deze keten van reacties te laten plaatsvinden. Als dat niet het geval is, wordt het proces van cellulaire ademhaling "back-up" en kan de Krebs-cyclus ook niet plaatsvinden.