Hoe vangen cellen energie op die vrijkomt bij cellulaire ademhaling?

Levende organismen vormen een energieketen waarin planten voedsel produceren dat dieren en andere organismen gebruiken voor energie. Het belangrijkste proces dat voedsel produceert is: fotosynthese in planten en de belangrijkste methode om het voedsel om te zetten in energie is cellulaire ademhaling.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

Het energieoverdragende molecuul dat door cellen wordt gebruikt, is: ATP. Het proces van cellulaire ademhaling zet het molecuul ADP om in ATP, waar de energie wordt opgeslagen. Dit gebeurt via het drietraps proces van glycolyse, de citroenzuurcyclus en de elektronentransportketen. Cellulaire ademhaling splitst en oxideert glucose om ATP-moleculen te vormen.

Tijdens fotosynthese vangen planten lichtenergie op en gebruiken deze om chemische reacties in de plantencellen aan te sturen. Door de lichtenergie kunnen planten koolstof uit koolstofdioxide in de lucht combineren met waterstof en zuurstof uit water om te vormen glucose.

In cellulaire ademhalingorganismen zoals dieren eten voedsel dat glucose bevat en breken de glucose af in energie, koolstofdioxide en water. De koolstofdioxide en het water worden uit het organisme verdreven en de energie wordt opgeslagen in een molecuul genaamd

Levende organismen zijn ofwel eencellig prokaryoten of eukaryoten, die eencellig of meercellig kunnen zijn. Het belangrijkste verschil tussen de twee is dat prokaryoten een eenvoudige celstructuur hebben zonder kern of celorganellen. Eukaryoten hebben altijd een kern en meer gecompliceerde celprocessen.

Eencellige organismen van beide typen kunnen verschillende methoden gebruiken om energie te produceren en velen gebruiken ook cellulaire ademhaling. Gevorderde planten en dieren zijn allemaal eukaryoten en gebruiken bijna uitsluitend cellulaire ademhaling. Planten gebruiken fotosynthese om energie van de zon op te vangen, maar slaan het grootste deel van die energie vervolgens op in de vorm van glucose.

Zowel planten als dieren gebruiken de door fotosynthese geproduceerde glucose als een energiebron.

Fotosynthese produceert glucose, maar de glucose is slechts een manier om chemische energie op te slaan en kan niet rechtstreeks door cellen worden gebruikt. Het totale fotosyntheseproces kan worden samengevat in de volgende formule:

6CO₂ + 12H₂O + lichtenergie → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

De planten gebruiken fotosynthese om te converteren licht energie omgezet in chemische energie en ze slaan de chemische energie op in glucose. Er is een tweede proces nodig om de opgeslagen energie te benutten.

Cellulaire ademhaling zet de chemische energie die is opgeslagen in glucose om in chemische energie die is opgeslagen in het ATP-molecuul. ATP wordt door alle cellen gebruikt om hun metabolisme en hun activiteiten aan te drijven. Spiercellen behoren tot de soorten cellen die glucose gebruiken voor energie, maar eerst omzetten in ATP.

De algemene chemische reactie voor cellulaire ademhaling is als volgt:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP-moleculen

De cellen breken glucose af in koolstofdioxide en water terwijl ze energie produceren die ze opslaan in ATP-moleculen. Vervolgens gebruiken ze de ATP-energie voor activiteiten zoals het samentrekken van spieren. Het volledige cellulaire ademhalingsproces heeft: drie fasen.

Glucose is een koolhydraat met zes koolstofatomen. Tijdens de eerste fase van het cellulaire ademhalingsproces genaamd glycolysebreekt de cel de glucosemoleculen in twee moleculen pyruvaat of drie-koolstofmoleculen. Om het proces op gang te brengen kost het energie en daarom worden twee ATP-moleculen uit de celreserves gebruikt.

Aan het einde van het proces, wanneer de twee pyruvaatmoleculen worden gecreëerd, komt energie vrij en wordt deze opgeslagen in vier ATP-moleculen. Glycolyse gebruikt twee ATP-moleculen en produceert vier voor elk verwerkt glucosemolecuul. De netto winst is twee ATP-moleculen.

Glycolyse begint in het celcytoplasma, maar het celademhalingsproces vindt voornamelijk plaats in het mitochondriën. De soorten cellen die glucose voor energie gebruiken, omvatten bijna elke cel in het menselijk lichaam, met uitzondering van zeer gespecialiseerde cellen zoals bloedcellen.

De mitochondriën zijn kleine membraangebonden organellen en zijn de celfabrieken die ATP produceren. Ze hebben een glad buitenmembraan en een sterk gevouwen binnenste membraan waar de cellulaire ademhalingsreacties plaatsvinden.

De reacties vinden eerst plaats in de mitochondriën om een ​​energiegradiënt over het binnenmembraan te produceren. Daaropvolgende reacties waarbij het membraan betrokken is, produceren de energie die wordt gebruikt om ATP-moleculen te creëren.

Het door glycolyse geproduceerde pyruvaat is niet het eindproduct van cellulaire ademhaling. Een tweede fase verwerkt de twee pyruvaatmoleculen tot een andere tussenstof genaamd acetyl COA. Het acetyl CoA komt de. binnen citroenzuur cyclus en de koolstofatomen van het oorspronkelijke glucosemolecuul worden volledig omgezet in CO₂. De citroenzuur wortel wordt gerecycled en wordt gekoppeld aan een nieuw acetyl-CoA-molecuul om het proces te herhalen.

De oxidatie van de koolstofatomen produceert nog twee ATP-moleculen en zet de enzymen NAD. om⁺ en FAD naar NADH en FADH₂. De geconverteerde enzymen worden gebruikt in de derde en laatste fase van cellulaire ademhaling, waar ze fungeren als elektronendonoren voor de elektronentransportketen.

De ATP-moleculen vangen een deel van de geproduceerde energie op, maar de meeste chemische energie blijft in de NADH-moleculen. De citroenzuurcyclusreacties vinden plaats in de mitochondriën.

De elektronentransportketen (ENZ) bestaat uit een reeks verbindingen die zich op het binnenmembraan van de mitochondriën bevinden. Het gebruikt elektronen van de NADH en FADH₂ enzymen geproduceerd door de citroenzuurcyclus om protonen over het membraan te pompen.

In een keten van reacties worden de hoogenergetische elektronen van NADH en FADH₂ worden doorgegeven door de reeks ETC-verbindingen, waarbij elke stap leidt tot een lagere elektronenenergietoestand en protonen die over het membraan worden gepompt.

Aan het einde van de ETC-reacties accepteren zuurstofmoleculen de elektronen en vormen ze watermoleculen. De elektronenenergie die oorspronkelijk afkomstig was van de splitsing en oxidatie van het glucosemolecuul, is omgezet in a proton energiegradiënt over het binnenmembraan van de mitochondriën.

Omdat er een onbalans is van protonen over het binnenmembraan, ervaren de protonen een kracht om terug te diffunderen naar het binnenste van de mitochondriën. Een enzym genaamd ATP-synthase is ingebed in het membraan en creëert een opening, waardoor de protonen terug over het membraan kunnen bewegen.

Wanneer de protonen door de ATP-synthaseopening gaan, gebruikt het enzym de energie van de protonen om ATP-moleculen te creëren. Het grootste deel van de energie van cellulaire ademhaling wordt in dit stadium opgevangen en opgeslagen in 32 ATP-moleculen.

ATP is een complexe organische chemische stof met een adeninebase en drie fosfaatgroepen. Energie wordt opgeslagen in de bindingen die de fosfaatgroepen bevatten. Wanneer een cel energie nodig heeft, verbreekt het een van de bindingen van de fosfaatgroepen en gebruikt de chemische energie om nieuwe bindingen in andere celstoffen te creëren. Het ATP-molecuul wordt adenosinedifosfaat of ADP.

Bij cellulaire ademhaling wordt de vrijgekomen energie gebruikt om een ​​fosfaatgroep aan ADP toe te voegen. De toevoeging van de fosfaatgroep vangt de energie uit de glycolyse, de citroenzuurcyclus en de grote hoeveelheid energie uit de ETC. De resulterende ATP-moleculen kunnen door het organisme worden gebruikt voor activiteiten zoals beweging, voedsel zoeken en voortplanting.