InfoNu.nl > Wetenschap > Anatomie > De verbranding op celniveau

De verbranding op celniveau

De verbranding op celniveau Het glucose in ons voedsel is het belangrijkste verbrandingsproduct van onze spieren en weefsels. Maar wat gebeurt er eigenlijk met de glucose die wij opnemen?

Opname

De suikers die wij binnenkrijgen met ons voedsel kunnen zowel polysacharides als monosacharides zijn. De meest voorkomende monosacharide is glucose. Glucose hoeft niet te worden verteerd en kan direct in ons bloed opgenomen worden. Dit gebeurt in de darmvlokken, waar veel bloedvaten aanwezig zijn. Polysacharides worden door de enzymen amylase en maltase uiteindelijk afgebroken tot glucose, waarna dit glucose ook kan worden opgenomen in het bloed.

Het bloed met hierin de glucose komt als eerste in de poortader, die leidt naar de lever. De lever kan doormiddel van de hormonen glucagon en insuline het glucosegehalte van het bloed regelen. Zo blijft het glucosegehalte in het bloed nagenoeg altijd constant. Weefsels en spieren kunnen hierna uit het bloed glucose opnemen dat ze gebruiken voor de verbranding. Dankzij deze verbranding krijgen de weefsels en spieren ATP. ATP is een molecuul dat energie levert voor de vele processen in de cel. ATP is nodig om de cel in leven te houden.

De verbranding

Voor de verbranding (C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O) moeten allereerst glucosemoleculen de cel in worden geloosd. Dit gebeurt dankzij ATP. Een glucosemolecuul wordt van twee P’s voorzien waardoor hij negatief geladen wordt. Hierdoor kan hij de cel niet meer uit. De twee P’s komen van twee moleculen ATP dus deze binding kost 2 ATP’s. De start van het proces voor verbranding kost dus energie.

Stap 1: Glycolyse

De Glycolyse vindt plaats in het cytoplasma. Het houdt letterlijk de afbraak van glucose in. Glucose (C6H12O6) wordt tijdens de Glycolyse omgezet in pyrodruivenzuur. Één molecuul glucose levert twee moleculen pyrodruivenzuur. Dit proces levert 4 moleculen ATP op en 2 moleculen NADH,H+. NADH,H+ ontstaat omdat NAD H’tjes kan binden. NADH wordt gebruikt in de laatste stap van de verbranding, de zogenaamde oxidatieve fosforylering. Uit één molecuul glucose komen 2 moleculen pyrufaat of pyrodruivenzuur. Ze hebben de molecuulformule C3H4O3. Je zou zeggen dat er nu 2 x 2 H’tjes verloren zijn gegaan, maar deze zijn naar NAD gegaan. Ieder molecuul NAD heeft 2 H’tjes opgenomen. Netto levert de Glycolyse 2 ATP-moleculen op, omdat de binding van glucose in het begin 2 ATP-moleculen kostte.

Ontstaan:
  • 4 moleculen ATP
  • 2 moleculen NADH,H+

Nettowinst:
  • 2 moleculen ATP, omdat de aanhechting van glucose in het begin 2 ATP-moleculen kostte

Tussenstap: Koppelingsreactie

De citroenzuurcyclus vindt niet plaats als er geen O2 aanwezig is. In de koppelingsreactie wordt pyrufaat, ofwel pyrodruivenzuur verbouwd voor de Krebs-cyclus of citroenzuurcyclus. Pyrodruivenzuur wordt tijdens de koppelingsreactie opgenomen in de mitochondriën, omdat de Glycolyse plaatsvond in het cytoplasma. Dit naar binnen slepen kost 1 ATP per pyrodruivenzuur-molecuul. Eenmaal in de mitochondriën wordt pyrodruivenzuur omgezet in azijnzuur (een C2-verbinding) en gecombineerd met een co-enzym tot acetyl-CoA. Acetyl betekent azijnzuur. Bij deze omzetting komt CO2 vrij en wordt er ook een NADH,H+-molecuul gevormd. Per glucosemolecuul kunnen er twee moleculen acetyl-CoA worden gevormd en dit levert dus 2 NADH,H+-moleculen op. (Acetyl-CoA speelt een centrale rol ij de stofwisseling. Ook aminozuren en vetten die worden geoxideerd worden eerst omgezet in acetyl-CoA. (Zie Binas-tabel 68E)).

Ontstaan:
  • 2 moleculen NADH,H+
  • 2 moleculen CO2

Gekost:
  • 2 moleculen ATP

Stap 2: Citroenzuurcyclus

De twee gevormde moleculen acetyl-CoA worden in de citroenzuurcyclus onder handen genomen, want ze bevatten nog veel energie. Uiteindelijk worden suiker, vetten en eiwitten in de citroenzuurcyclus afgebroken tot CO2 en H2O. De citroenzuurcyclus dankt zijn naam aan de eerste reactie: de vorming van citroenzuur uit acetyl-CoA en oxaalazijnzuur. De eerste reactie in de citroenzuurcyclus levert dus citroenzuur op, een molecuul met 6 C-atomen. Nu vindt er een steeds verdere afbraak plaats van citroenzuur, dat op gegeven moment weer oxaalazijnzuur oplevert. Deze afbraak levert per keer 3 NADH,H+-moleculen op en 1 FADH2-molecuul. Daarnaast levert het ook 1 ATP-molecuul op, maar het kostte ook 1 ATP-molecuul om pyrodruivenzuur de cel binnen te slepen.

Omdat er per glucosemolecuul twee pyrodruivenzuur-moleculen worden gevormd, kan de cyclus twee keer uitgevoerd worden. Er wordt dus voor de tweede keer acetyl-CoA gevormd en deze bindt zich weer aan oxaalazijnzuur. Nu vindt dezelfde cyclus weer plaats, waarbij citroenzuur wordt afgebroken en waarbij weer 3 NADH,H+-moleculen, 1 FADH2-molecuul en 1 ATP-molecuul vrijkomt. Per glucosemolecuul levert de Krebs-cyclus 6 NADH,H+-moleculen op, 2 FADH2-moleculen en 2 ATP-moleculen.

Ontstaan:
  • 2 moleculen ATP
  • 6 moleculen NADH,H+
  • 2 moleculen FADH2
  • 4 moleculen CO2

Nettowinst:
  • 0 moleculen ATP. Dit omdat in de koppelingsreactie 2 moleculen ATP zijn verbruikt en bij de citroenzuurcyclus 2 moleculen ATP vrijkomen

Stap 3: Oxidatieve fosforylering ofwel ElektronenTransportKeten (ETK)

De oxidatieve fosforylering vindt niet plaats als er geen O2 aanwezig is. Om ATP te maken is energie nodig en die energie wordt vrijgemaakt. Tot nu toe is het ATP-resultaat nog maar magertjes, maar is er wel een groot aantal NADH,H+-moleculen en FADH2-moleculen. Deze worden tijdens de oxidatieve fosforylering gebruikt. De oxidatieve fosforylering bestaat uit drie stappen. De elektronen zijn de drijvende kracht achter de elektronentransportketen, de eerste stap. Eigenlijk wordt de oxidatieve fosforylering ook wel eens gewoon elektronentransportketen genoemd. NADH,H+ (of FADH2) staat waterstofelektronen en waterstofprotonen af aan een eiwit in het binnenmembraan van de mitochondriën. De elektronen worden naar verschillende eiwitten getransporteerd en deze eiwitten vormen een keten. Er zijn ook eiwitten die de elektronen overbrengen naar andere eiwitten. Uiteindelijk worden de elektronen overgedragen op zuurstof zodat er water ontstaat. Bij deze overdracht van de waterstofelektronen op zuurstof komt energie vrij. Door de hechting van elektronen aan de begineiwitten veranderen deze eiwitten van vorm en worden de H+-ionen doorgelaten. Deze H+-ionen komen in de intermembraanruimte. Dit is de ruimte tussen het binnenmembraan en het buitenmembraan van de mitochondriën. Er ontstaat nu een potentiaalverschil en daardoor willen de H+-ionen weer terug naar beneden. De H+-ionen diffunderen terug naar het eiwit ATP-synthase. De H+-ionen zakken dus terug in het eiwit en dit veroorzaakt een draaiing van het eiwit. Dankzij de draaiing van ATP-synthase wordt Pi aan ADP gebonden en ontstaat ATP. De vorming van energie uit de diffusie van protonen voor de synthese van ATP noemen we chemiosmose. Dankzij de H’tjes van NADH,H+ en FADH2 wordt er dus ATP gevormd. De overgebleven stoffen NAD en FAD kunnen weer opnieuw H’tjes binden voor een nieuwe verbranding.

Ontstaan:
  • 34 moleculen ATP
  • 6 moleculen H2O

Gekost:
  • 6 moleculen O2
  • 10 moleculen NADH,H+
  • 2 moleculen FADH2

De totale netto-energie opbrengt na de verbranding is dus als volgt:
  • 10 Moleculen NADH,H+. Dit levert per molecuul 3 moleculen ATP
  • 2 Moleculen FADH2. Dit levert per molecuul 2 moleculen ATP
  • 2 ATP-moleculen bij Glycolyse
Totaal levert de verbranding van 1 molecuul glucose dus 36 ATP-moleculen op.

Weetjes

  • Vooral vetten leveren veel energie. Ze bevatten veel waterstof en kunnen dus veel H+ en elektronen afstaan.
  • Dit proces heet verbranding (of oxidatie) omdat zuurstof de uiteindelijke acceptor is van de elektronen. Zonder zuurstof kunnen deze elektronen zich niet binden en ontstaat er niet zoveel energie, maar ontstaat er melkzuur.
  • Bij het eerste eiwit van de elektronentransportketen – de NADH-Q reductase – komen 10 NADH,H+-moleculen aan en 2 FADH2-moleculen. Ieder van deze moleculen staat 1 H’tje – het H-elektron – af voor het transport en het andere H’tje – het H+-ion – af voor de diffusie. Zo komen er 12 H’tjes aan bij O2 en deze zorgen samen met de 6 O2-moleculen voor 6 H2O-moleculen.

Melkzuur

Melkzuur is een stof die onder andere bij verschillende biologische processen vrijkomt. Het is dit zuur, dat verzuurde melk haar zure smaak geeft en dat zich bij zware inspanning door anaerobe afbraak van suiker ophoopt in de spieren en daar voor tijdelijke spierpijn zorgt. Melkzuur is een carbonzuur en de chemische formule is C3H6O3 met de naam 2-hydroxy-1-propaanzuur. Als er niet voldoende zuurstof aanwezig is in de cel wordt pyrodruivenzuur omgezet tot melkzuur. Pyrodruivenzuur doet dan dienst als waterstofacceptor. Dit gebeurt in het cytoplasma, de plaats waar ook de Glycolyse plaatsvond. De twee tijdens de Glycolyse gevormde NADH,H+-moleculen staan per molecuul hun 2 H’tjes weer af aan de twee moleculen pyrodruivenzuur. Zo ontstaan er twee moleculen melkzuur, C3H6O3. De omzetting in melkzuur levert een beetje ATP op. Maar melkzuur is giftig. Als het zich ophoopt (verzuring in je spieren), stopt de vorming ervan. Het melkzuur wordt dan door het bloed naar de lever gevoerd. Daar wordt het, als de aanvoer van zuurstof weer voldoende is, omgezet in glucose. Via het bloed gaat het terug naar de spieren, waar het als reservevoorraad kan worden opgeslagen in de vorm van glycogeen. Je moet dus goed uitlopen na het sporten omdat je dan zorgt dat je voldoende zuurstof krijgt om het melkzuur af te breken. In principe kun je de melkzuurvorming als volgt zien: C6H12O6 -> 2 C3H6O3 + 2 ATP.

Van het melkzuurprincipe wordt ook gebruik gemaakt door melkzuurbacteriën. Zij bevinden zich in yoghurt en kunnen de lactose uit de melk omzetten in melkzuur. Dit gebeurt onder anaerobe omstandigheden, dus omstandigheden waarbij geen zuurstof is. Dankzij melkzuur daalt de pH van de oplossing en daarom is yoghurt zuurder dan melk. Je kunt zelf yoghurt maken door bij een half glaasje melk een paar lepeltjes yoghurt te doen. De melkzuurbacteriën doen dan hun werk en zetten de lactose uit de melk om in melkzuur. Door de zo gecreëerde zuurdere omgeving daalt de pH dus en dit tast de eiwitten in de melk aan. Deze gaan vervormen en zich anders rangschikken waardoor er een stroperig zuur goedje ontstaat wat mij yoghurt noemen. Dit proces stopt op gegeven moment, omdat de pH door de steeds doorgaande melkzuurvorming steeds verder daalt. Hierdoor worden de eiwitten extra aangetast en werken ze op gegeven moment niet meer. Er zal niet meer yoghurt ontstaan en het proces stopt. Het proces kan ook stoppen omdat simpelweg de suiker op is uit de melk.

Alcohol

Gistcellen kunnen onder anaerobe omstandigheden in het cytoplasma pyrodruivenzuur omzetten is ethanal (C2H4O). Hierbij komt CO2 vrij. Bij dit proces is ook NADH,H+ aanwezig en deze kan zijn 2 H’tjes afstaan aan ethanal waardoor ethanol (alcohol) met de formule C2H5OH wordt gevormd. Dit proces kun je zelf nabootsen. Je kunt 20 ml appelsap in een bekerglas doen en hierbij gistcellen (1,5 gram) doen. Dit geheel sluit je af van zuurstof, maar je laat wel een slangetje van dit bekerglas naar een ander bekerglas lopen. Dit andere bekerglas sluit je ook af, maar hierin doe je 40 ml kalkwater. De vrijgekomen CO2 van de gisting (= fermentatie) wordt zo opgevangen in het bekertje met kalkwater. Het kalkwater wordt hierdoor troebel. Je toont zo de gisting aan, omdat je laat zien dat er CO2 vrijkomt. Wij mensen kunnen geen alcohol maken uit pyrodruivenzuur.
© 2011 - 2019 B-bbergkamp, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Metabolisme; koolhydraatopbouw en koolhydraatafbraakKoolhydraten zijn een belangrijke brandstof voor het lichaam. Koolhydraten leveren ongeveer 17kJ (4kCal) per gram. Gluco…
De dissimilatie van glucoseGlucose(C3H4O6) is de belangrijkste brandstof voor het menselijk lichaam. Om energie uit de glucose te halen, moet eerst…
Inspanningsfysiologie; anaerobe afbraak glucose (glycolyse)De anearobe afbraak van glucose wordt de glycolyse genoemd. Bij deze glycolyse komt energie vrij. Deze energie die vrijk…
Inspanningsfysiologie; koolhydraatverbrandingKoolhydraten zijn een belangrijke brandstof. Bij de afbraak van koolhydraten komt energie vrij (4 kCal per gram). Deze e…
Inspanningsfysiologie; van vertering tot energie (ATP)Zowel in rust als tijdens inspanning is energie nodig in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP). Ongeveer 95% van deze AT…
Bronnen en referenties
  • Biologie Interactief Informatieboek VWO Tweede Fase.

Reageer op het artikel "De verbranding op celniveau"

Plaats een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Reacties

Alida Branderhorst, 07-08-2016 13:19 #2
Mijn hartelijke dank; zeer interessant. Ik heb al vaak gehoord dat mijn lichaam te weinig zuurstof opneemt. Daarom onderhoud ik al bukkend een tuin van 222 vierkante meter. Ook als ik lang geslapen heb ben ik moe door zuurstoftekort. Daarom ga ik nu Vitamine B15, Pangaamzuur gebruiken, (naast de B-complex), want Pangaamzuur verhoogt de aanvoer van zuurstof van de longen naar het bloed en van het bloed naar de spieren en de vitale organen. Misschien is het toch geen fibromyalgie, maar zuurstoftekort, want ik voel me beter na beweging in de buitenlucht.
Met vriendelijke groet,
Alida Branderhorst

Mario Vaneechoutte, 22-03-2015 19:58 #1
Beste
zeer goeie uitleg, maar 1 belangrijke correctie. Wat je uitlegt, is misschien correct voor mitochondriën maar niet helemaal voor bacteriën, waarvan sommige aan anaerobe respiratie kunnen doen, waarbij ze in plaats van zuurstof een andere molecule (bvb. nitraat) als externe electronacceptor kunnen gebruiken. Met zuurstof heb je de grootste ATP opbrengst omdat het de sterkste electronacceptor is. Dit is dus aerobe respiratie.
Het hele proces van Krebs en oxydatieve fosforylatie en ATP synthese kan dus wel optreden in de afwezigheid van zuurstof, met name bij de anaerobe respiratie.
Correcter zou zijn: de Krebs kan niet optreden in afwezigheid van een externe electronacceptor, die bij onze mitochondrien zuurstof is.
Met beste groeten
Mario

Infoteur: B-bbergkamp
Gepubliceerd: 21-06-2011
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Anatomie
Bronnen en referenties: 1
Reacties: 2
Schrijf mee!