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 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 de mens begint in het spijsverterings- en ademhalingsstelsel. In de darmen wordt voedsel verteerd en omgezet in glucose. Zuurstof wordt opgenomen in de longen en opgeslagen in rode bloedcellen. De glucose en de zuurstof reizen het lichaam in via de bloedsomloop om cellen te bereiken die energie nodig hebben.
De cellen gebruiken de glucose en zuurstof uit de bloedsomloop voor de productie van energie. Ze leveren het afvalproduct, koolstofdioxide, terug aan de rode bloedcellen en de koolstofdioxide wordt via de longen aan de atmosfeer afgegeven.
Terwijl het spijsverterings-, ademhalings- en bloedsomloopstelsel een belangrijke rol spelen bij de menselijke ademhaling, vindt de ademhaling op cellulair niveau plaats in de cellen en in de
-
glycolyse: De cel splitst het glucosemolecuul in het celcytosol.
- Krebs-cyclus (of citroenzuurcyclus): Een reeks cyclische reacties produceert de elektronendonoren die in de volgende stap worden gebruikt en vindt plaats in de mitochondriën.
- De elektronentransportketen: De laatste reeks reacties waarbij zuurstof wordt gebruikt om ATP-moleculen te produceren, vindt plaats op het binnenmembraan van de mitochondriën.
In de algehele cellulaire ademhalingsreactie produceert elk glucosemolecuul: 36 of 38 moleculen ATP, afhankelijk van het celtype. Cellulaire ademhaling bij de mens 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 oxidatie van glucose.
De cellulaire ademhalingsformule voor de productie van 36 ATP-moleculen uit een glucosemolecuul is bijvoorbeeld C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + energie (36ATP-moleculen). De ATP-moleculen slaan energie op in hun drie fosfaatgroepbindingen.
De energie die door de cel wordt geproduceerd, 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 celchemische reacties. Een adenosinedifosfaat (ADP) molecuul met twee fosfaatgroepen over.
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 bereidt de weg voor oxidatie voor
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.
Ten eerste twee ATP-moleculen fosforyleren de twee helften van het glucosemolecuul door aan elk een fosfaatgroep toe te voegen. Dan voegen enzymen 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. Bij de uiteindelijke splitsing van het glucosemolecuul komt 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 het celcytosol, maar de rest van het cellulaire ademhalingsproces gaat naar de mitochondriën. Glycolyse vereist geen zuurstof, maar zodra het pyruvaat in de mitochondriën is terechtgekomen, is zuurstof nodig voor alle verdere stappen.
De mitochondriën zijn de energiefabrieken die zuurstof en pyruvaat door hun buitenmembraan laten binnenkomen en laat dan de reactieproducten koolstofdioxide en ATP terug de cel in en verder in de bloedsomloop systeem.
De Krebs-citroenzuurcyclus produceert elektronendonoren
De citroenzuur cyclus is een reeks circulaire chemische reacties die NADH en FADH. genereren2 moleculen. Deze twee verbindingen gaan de volgende stap van cellulaire ademhaling in, de elektronentransportketenen doneren de eerste elektronen die in de keten worden gebruikt. De resulterende NAD+ en FAD-verbindingen worden teruggebracht naar de citroenzuurcyclus om terug te worden veranderd in hun oorspronkelijke NADH en FADH2 vormen en gerecycled.
Wanneer de drie-koolstofpyruvaatmoleculen de mitochondriën binnenkomen, verliezen ze een van hun koolstofmoleculen om koolstofdioxide en een twee-koolstofverbinding te vormen. Dit reactieproduct wordt vervolgens geoxideerd en samengevoegd tot co-enzym A twee vormen acetyl COA moleculen. In de loop van de citroenzuurcyclus worden de koolstofverbindingen gekoppeld aan een vier-koolstofverbinding om een citraat met zes koolstofatomen te produceren.
In een reeks reacties geeft het citraat twee koolstofatomen vrij 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 interieur van de mitochondriën en de NADH en FADH2 moleculen nemen vervolgens deel aan de elektronentransportketen op het binnenmembraan van de mitochondriën.
De elektronentransportketen produceert de meeste ATP-moleculen
De elektronentransportketen bestaat uit vier eiwitcomplexen gelegen op het binnenmembraan van de mitochondriën. NADH doneert elektronen aan het eerste eiwitcomplex, terwijl FADH2 geeft zijn elektronen aan het tweede eiwitcomplex. De eiwitcomplexen geven de elektronen door in de transportketen in een reeks van reductie-oxidatie of redox reacties.
Tijdens elke redoxfase komt energie vrij 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 laatste elektronenacceptoren. Twee waterstofatomen combineren met een zuurstofatoom om watermoleculen te vormen.
Naarmate de concentratie van protonen buiten het binnenmembraan toeneemt, energiegradiënt wordt vastgesteld, waardoor de protonen terug over het membraan worden aangetrokken naar de kant met de lagere protonconcentratie. Een binnenmembraan-enzym genaamd ATP-synthase biedt de protonen een doorgang terug door het binnenmembraan.
Terwijl de protonen door ATP-synthase gaan, gebruikt het enzym de protonenenergie om ADP in ATP te veranderen, waarbij de protonenenergie van de elektronentransportketen in de ATP-moleculen wordt opgeslagen.
Cellulaire ademhaling bij mensen is een eenvoudig concept met complexe processen
Bij de complexe biologische en chemische processen die de ademhaling op cellulair niveau vormen, zijn enzymen, protonpompen en eiwitten betrokken die op zeer gecompliceerde manieren op moleculair niveau met elkaar in wisselwerking staan. Terwijl 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 elektronenoverdrachtketen helpen om aan te tonen hoe cellulaire ademhaling op basisniveau werkt, maar de feitelijke werking van deze stadia is veel complexer.
Het beschrijven van het proces van cellulaire ademhaling is op conceptueel niveau eenvoudiger. 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, koolstofdioxide en water te produceren.
De energie wordt gebruikt om een derde fosfaatgroep aan een ADP-molecuul toe te voegen om ATP te vormen, en de koolstofdioxide wordt via de longen geëlimineerd. ATP-energie van de derde fosfaatbinding wordt gebruikt om andere celfuncties aan te drijven. Zo vormt cellulaire ademhaling de basis voor alle andere menselijke activiteiten.