Biochemie van cellulaire ademhaling

Cellulaire ademhaling, het proces waarbij organismen zuurstof combineren met voedingsmoleculen, waardoor de chemische energie in deze stoffen wordt omgezet in levensondersteunende activiteiten en wordt weggegooid als afvalproduct, kooldioxide en water. Organismen die niet afhankelijk zijn van zuurstof breken voedsel af in een proces dat fermentatie wordt genoemd. (Voor langere behandelingen van verschillende aspecten van cellulaire ademhaling, zie tricarbonzuurcyclus en metabolisme.)

algen: cellulaire ademhaling

Cellulaire ademhaling bij algen, zoals bij alle organismen, is het proces waarbij voedselmoleculen worden gemetaboliseerd om chemicaliën te verkrijgen

Rol van mitochondriën

Een van de doelstellingen van de afbraak van voedingsmiddelen is om de energie in chemische bindingen om te zetten in de energierijke verbinding adenosinetrifosfaat (ATP), die de chemische energie opvangt die wordt verkregen door de afbraak van voedselmoleculen en deze afgeeft om andere cellulaire processen van brandstof te voorzien. In eukaryote cellen (dat wil zeggen alle cellen of organismen die een duidelijk gedefinieerde kern en membraangebonden organellen hebben) bevinden de enzymen die de individuele stappen in de ademhaling en energiebesparing katalyseren zich in sterk georganiseerde staafvormige compartimenten die mitochondriën worden genoemd. In micro-organismen komen de enzymen voor als componenten van het celmembraan. Een levercel heeft ongeveer 1.000 mitochondriën; grote eicellen van sommige gewervelde dieren hebben tot 200.000.

Belangrijkste metabole processen

Biologen verschillen enigszins met betrekking tot de namen, beschrijvingen en het aantal stadia van cellulaire ademhaling. Het totale proces kan echter worden gedistilleerd in drie belangrijke metabole stadia of stappen: glycolyse, de tricarbonzuurcyclus (TCA-cyclus) en oxidatieve fosforylering (fosforylering van de ademhalingsketen).

Glycolyse

Glycolyse (ook bekend als de glycolytische route of de Embden-Meyerhof-Parnas-route) is een opeenvolging van 10 chemische reacties die plaatsvinden in de meeste cellen die een glucosemolecuul afbreken tot twee pyruvaat (pyrodruivenzuur) moleculen. Energie die vrijkomt bij de afbraak van glucose en andere organische brandstofmoleculen uit koolhydraten, vetten en eiwitten tijdens glycolyse, wordt opgevangen en opgeslagen in ATP. Bovendien wordt de verbinding nicotinamide adenine dinucleotide (NAD ⁺) tijdens deze stap omgezet in NADH (zie hieronder). Pyruvaatmoleculen die tijdens glycolyse worden geproduceerd, komen vervolgens in de mitochondriën terecht, waar ze elk worden omgezet in een verbinding die bekend staat als acetyl co-enzym A, die vervolgens de TCA-cyclus binnengaat. (Sommige bronnen beschouwen de omzetting van pyruvaat in acetyl co-enzym A als een afzonderlijke stap, pyruvaatoxidatie of de overgangsreactie genoemd, in het proces van cellulaire ademhaling.)

Tricarbonzuurcyclus

De TCA-cyclus (ook bekend als de Krebs- of citroenzuurcyclus) speelt een centrale rol bij de afbraak of het katabolisme van organische brandstofmoleculen. De cyclus bestaat uit acht stappen die worden gekatalyseerd door acht verschillende enzymen die in verschillende stadia energie produceren. De meeste energie die uit de TCA-cyclus wordt verkregen, wordt echter opgevangen door de verbindingen NAD ⁺ en flavine-adenine-dinucleotide (FAD) en later omgezet in ATP. De producten van een enkele draai van de TCA-cyclus bestaan ​​uit drie NAD ⁺ -moleculen, die worden gereduceerd (door het toevoegen van waterstof, H ⁺) tot hetzelfde aantal NADH-moleculen, en één FAD-molecuul, dat op dezelfde manier wordt gereduceerd tot een enkele FADH _2- molecule. Deze moleculen voeden de derde fase van cellulaire ademhaling, terwijl kooldioxide, dat ook wordt geproduceerd door de TCA-cyclus, als afvalproduct vrijkomt.

Oxidatieve fosforylering

In de fase van oxidatieve fosforylering levert elk paar waterstofatomen verwijderd uit NADH en FADH ₂ een paar elektronen die - door de werking van een reeks ijzerhoudende hemoproteïnen, de cytochromen - uiteindelijk één zuurstofatoom vermindert om water te vormen. In 1951 werd ontdekt dat de overdracht van één paar elektronen naar zuurstof resulteert in de vorming van drie ATP-moleculen.

Oxidatieve fosforylering is het belangrijkste mechanisme waardoor de grote hoeveelheden energie in voedingsmiddelen worden behouden en beschikbaar worden gesteld aan de cel. De reeks stappen waarmee elektronen naar zuurstof stromen, maakt een geleidelijke verlaging van de energie van de elektronen mogelijk. Dit deel van de oxidatieve fosforyleringsfase wordt ook wel de elektronentransportketen genoemd. Sommige beschrijvingen van cellulaire ademhaling die zich richten op het belang van de elektronentransportketen hebben de naam van de oxidatieve fosforyleringsfase veranderd in de elektronentransportketen.