Cellulaire ademhaling bij mensen

definitie

Celademhaling, ook wel aëroob genoemd (van het oude Griekse "aer" - lucht), beschrijft de afbraak van voedingsstoffen zoals glucose of vetzuren bij mensen die zuurstof (O2) gebruiken om energie op te wekken, die nodig is voor het overleven van de cellen. Daarbij worden de voedingsstoffen geoxideerd, d.w.z. ze geven elektronen af, terwijl zuurstof wordt gereduceerd, wat betekent dat het elektronen opneemt. De eindproducten die ontstaan ​​uit de zuurstof en voedingsstoffen zijn kooldioxide (CO2) en water (H2O).

Functie en taken van cellulaire ademhaling

Alle processen in het menselijk lichaam hebben energie nodig. Lichaamsbeweging, hersenfunctie, het kloppen van het hart, het maken van speeksel of haar en zelfs de spijsvertering hebben allemaal energie nodig om te functioneren.

Bovendien heeft het lichaam zuurstof nodig om te overleven. Cellulaire ademhaling is hier van bijzonder belang. Met behulp hiervan en het gaszuurstof is het voor het lichaam mogelijk om energierijke stoffen te verbranden en daar de benodigde energie uit te halen. Zuurstof zelf levert ons geen energie, maar het is nodig om de chemische verbrandingsprocessen in het lichaam uit te voeren en is daarom essentieel voor ons voortbestaan.

Het lichaam kent veel verschillende soorten energiedragers:

• Glucose (suiker) is de belangrijkste energiedrager en basisbouwsteen, evenals het eindproduct dat wordt afgesplitst van alle zetmeelrijke voedingsmiddelen
• Vetzuren en glycerine zijn de eindproducten van de afbraak van vetten en kunnen ook worden gebruikt bij de productie van energie
• De laatste groep energiedragers zijn de aminozuren, die overblijven als product van eiwitafbraak. Na een bepaalde transformatie in het lichaam kunnen deze dan ook gebruikt worden bij celademhaling en dus voor energieopwekking

Lees hier meer over onder Oefening en vetverbranding

De meest voorkomende energiebron die door het menselijk lichaam wordt gebruikt, is glucose. Er is een kettingreactie die bij zuurstofverbruik uiteindelijk leidt tot de producten CO2 en H2O. Dit proces omvat de Glycolyse, dus de Splitsing van glucose en de overdracht van het product, de Pyruvaat via de tussenstap van de Acetyl COA in de Citroenzuur cyclus (Synoniem: citroenzuurcyclus of Krebs-cyclus​De afbraakproducten van andere voedingsstoffen zoals aminozuren of vetzuren stromen ook in deze cyclus. Het proces waarbij de vetzuren worden "afgebroken" zodat ze ook in de citroenzuurcyclus kunnen stromen, wordt genoemd Beta-oxidatie.

De citroenzuurcyclus is dus een soort inlaatpunt waar alle energiebronnen in het energiemetabolisme kunnen worden ingevoerd. De cyclus vindt plaats in de Mitochondriën in plaats daarvan de "energiecentrales" van menselijke cellen.

Bij al deze processen wordt wel wat energie verbruikt in de vorm van ATP, maar die is al gewonnen, zoals bijvoorbeeld bij glycolyse. Daarnaast zijn er overwegend andere tussenliggende energieopslagplaatsen (bijv.NADH, FADH2) die alleen hun functie vervullen als tussenliggende energieopslag tijdens energieopwekking. Deze tussenopslagmoleculen stromen vervolgens naar de laatste stap van celademhaling, namelijk de stap van oxidatieve fosforylering, ook wel bekend als de ademhalingsketen. Dit is de stap waar alle processen tot nu toe naartoe hebben gewerkt. Ook de ademhalingsketen, die ook in de mitochondriën plaatsvindt, bestaat uit meerdere stappen, waarbij de universele energiedrager ATP dan wordt gewonnen uit de energierijke tussenopslagmoleculen. In totaal resulteert de afbraak van één glucosemolecuul in totaal 32 ATP-moleculen.

Voor degenen die bijzonder geïnteresseerd zijn

De ademhalingsketen bevat verschillende eiwitcomplexen die hier een zeer interessante rol spelen. Ze functioneren als pompen die protonen (H + -ionen) in de holte van het mitochondriale dubbele membraan pompen terwijl ze de tussenopslagmoleculen consumeren, zodat daar een hoge concentratie aan protonen is. Dit veroorzaakt een concentratiegradiënt tussen de intermembraanruimte en de mitochondriale matrix. Met behulp van deze gradiënt is er uiteindelijk een eiwitmolecuul dat op dezelfde manier werkt als een soort waterturbine. Gedreven door deze gradiënt in protonen, synthetiseert het eiwit een ATP-molecuul uit een ADP- en een fosfaatgroep.

Hier vindt u meer informatie: Wat is de ademhalingsketen?

ATP

De Adenosine trifosfaat (ATP) is de energiedrager van het menselijk lichaam. Alle energie die voortkomt uit cellulaire ademhaling wordt aanvankelijk opgeslagen in de vorm van ATP. Het lichaam kan de energie alleen gebruiken als het de vorm heeft van het ATP-molecuul.

Als de energie van het ATP-molecuul wordt opgebruikt, ontstaat uit het ATP adenosinedifosfaat (ADP), waardoor een fosfaatgroep van het molecuul wordt afgesplitst en energie vrijkomt. Celademhaling of energieopwekking dient om continu het ATP uit het zogenaamde ADP te regenereren zodat het lichaam het weer kan gebruiken.

Reactievergelijking

Doordat vetzuren verschillende lengtes hebben en aminozuren ook heel verschillende structuren hebben, is het niet mogelijk om voor deze twee groepen een eenvoudige vergelijking op te stellen om hun energieopbrengst bij cellulaire ademhaling precies te karakteriseren. Omdat elke structurele verandering kan bepalen in welke stap van de citraatcyclus het aminozuur stroomt.
De afbraak van vetzuren bij de zogenaamde bèta-oxidatie is afhankelijk van hun lengte. Hoe langer de vetzuren, hoe meer energie er uit gewonnen kan worden. Dit varieert tussen verzadigde en onverzadigde vetzuren, waarbij onverzadigde vetzuren minimaal minder energie leveren, mits ze dezelfde hoeveelheid hebben.

Om de reeds genoemde redenen kan een vergelijking het beste worden beschreven voor de afbraak van glucose. Een glucosemolecuul (C6H12O6) en 6 zuurstofmoleculen (O2) resulteren in in totaal 6 koolstofdioxidemoleculen (CO2) en 6 watermoleculen (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 wordt 6 CO2 + 6 H2O

Wat is glycolyse?

Glycolyse beschrijft de afbraak van glucose, d.w.z. druivensuiker. Deze metabole route vindt plaats in menselijke cellen en ook in andere, bijvoorbeeld gist tijdens fermentatie. De plaats waar de cellen glycolyse uitvoeren, is in het cytoplasma. Hier zijn enzymen aanwezig die de glycolysereacties versnellen om zowel ATP direct te synthetiseren als de substraten voor de citroenzuurcyclus te leveren. Dit proces creëert energie in de vorm van twee moleculen ATP en twee moleculen NADH + H +. Glycolyse, samen met de citroenzuurcyclus en de ademhalingsketen, die beide zich in het mitochondrium bevinden, vertegenwoordigen de afbraakroute van de enkelvoudige suikerglucose naar de universele energiedrager ATP. Glycolyse vindt plaats in het cytosol van alle dierlijke en plantencellen . Het eindproduct van glycolyse is pyruvaat, dat vervolgens via een tussenstap in de citroenzuurcyclus kan worden gebracht.

In totaal worden bij de glycolyse 2 ATP's per glucosemolecuul gebruikt om de reacties uit te kunnen voeren. Er wordt echter 4 ATP verkregen, zodat er effectief een netto winst is van 2 ATP-moleculen.

Glycolyse tien reactiestappen totdat een suiker met 6 koolstofatomen verandert in twee moleculen pyruvaat, elk samengesteld uit drie koolstofatomen. In de eerste vier reactiestappen wordt de suiker met behulp van twee fosfaten en een omlegging omgezet in fructose-1,6-bisfosfaat. Deze geactiveerde suiker is nu opgesplitst in twee moleculen met elk drie koolstofatomen. Verdere herschikkingen en het verwijderen van de twee fosfaatgroepen resulteren uiteindelijk in twee pyruvaten. Als er nu zuurstof (O2) beschikbaar is, kan het pyruvaat verder worden gemetaboliseerd tot acetyl-CoA en in de citroenzuurcyclus worden gebracht. Over het algemeen heeft glycolyse met twee moleculen ATP en twee moleculen NADH + H + een relatief lage energieopbrengst. Het legt echter de basis voor de verdere afbraak van suiker en is daarom essentieel voor de aanmaak van ATP bij celademhaling.

Op dit punt is het zinvol om aërobe en anaërobe glycolyse te scheiden. Aërobe glycolyse leidt tot het hierboven beschreven pyruvaat, dat vervolgens kan worden gebruikt om energie op te wekken.
Daarentegen kan de anaërobe glycolyse, die plaatsvindt onder omstandigheden van zuurstoftekort, het pyruvaat niet langer worden gebruikt omdat de citroenzuurcyclus zuurstof vereist. In de context van glycolyse wordt ook het molecuul voor tussenopslag NADH gecreëerd, dat zelf rijk is aan energie en ook onder aërobe omstandigheden in de Krebs-cyclus zou stromen. Het moedermolecuul NAD + is echter nodig om de glycolyse te behouden. Daarom “bijt” het lichaam hier de “zure appel” en zet dit hoogenergetische molecuul terug in zijn oorspronkelijke vorm. Het pyruvaat wordt gebruikt om de reactie uit te voeren. Uit het pyruvaat wordt het zogenaamde lactaat of melkzuur gevormd.

Lees hier meer over onder

• Melk geven
• Anaërobe drempel

Wat is de ademhalingsketen?

De ademhalingsketen is het laatste deel van het afbraakpad van glucose. Nadat de suiker is gemetaboliseerd in de glycolyse en de citroenzuurcyclus, heeft de ademhalingsketen de functie van het regenereren van de reductie-equivalenten (NADH + H + en FADH2) die ontstaan. Hierdoor ontstaat de universele energiedrager ATP (adenosinetrifosfaat). Net als de citroenzuurcyclus bevindt de ademhalingsketen zich in de mitochondriën, die daarom ook wel de "energiecentrales van de cel" worden genoemd. De ademhalingsketen bestaat uit vijf enzymcomplexen die zijn ingebed in het binnenste mitochondriale membraan. De eerste twee enzymcomplexen regenereren elk NADH + H + (of FADH2) tot NAD + (of FAD). Tijdens de oxidatie van de NADH + H + worden vier protonen vanuit de matrixruimte naar de intermembraanruimte getransporteerd. Twee protonen worden ook in de intermembraanruimte gepompt in elk van de volgende drie enzymcomplexen. Dit creëert een concentratiegradiënt die wordt gebruikt om ATP te produceren. Hiervoor stromen protonen vanuit de intermembraanruimte via een ATP-synthase terug in de matrixruimte. De vrijkomende energie wordt gebruikt om uiteindelijk ATP te produceren uit ADP (adenosinedifosfaat) en fosfaat. Een andere taak van de ademhalingsketen is het onderscheppen van de elektronen die worden gegenereerd door de oxidatie van de reductie-equivalenten. Dit wordt gedaan door de elektronen om te zetten in zuurstof. Door elektronen, protonen en zuurstof samen te brengen, ontstaat normaal water in het vierde enzymcomplex (cytochroom c oxidase). Dit verklaart ook waarom de ademhalingsketen alleen kan plaatsvinden als er voldoende zuurstof is.

Wat zijn de taken van de mitochondriën bij celademhaling?

De mitochondriën zijn organellen die alleen in eukaryote cellen voorkomen. Ze worden ook wel de "energiecentrales van de cel" genoemd, omdat daar celademhaling plaatsvindt. Het eindproduct van cellulaire ademhaling is ATP (adenosinetrifosfaat). Dit is een universele energiedrager die nodig is in het hele menselijke organisme. Compartimentering van de mitochondriën is een voorwaarde voor celademhaling. Dit betekent dat er aparte reactieruimten zijn in het mitochondrion. Dit wordt bereikt door een binnen- en buitenmembraan, zodat er een intermembraanruimte en een binnenmatrixruimte ontstaat.

In de loop van de ademhalingsketen worden protonen (waterstofionen, H +) naar de intermembraanruimte getransporteerd, waardoor een verschil in protonenconcentratie ontstaat. Deze protonen zijn afkomstig van verschillende reductie-equivalenten, zoals NADH + H + en FADH2, die daardoor worden geregenereerd tot NAD + en FAD.

ATP-synthase is het laatste enzym in de ademhalingsketen, waar uiteindelijk ATP wordt geproduceerd. Gedreven door het verschil in concentratie stromen de protonen vanuit de intermembraanruimte door de ATP-synthase naar de matrixruimte. Deze stroom positieve lading maakt energie vrij die wordt gebruikt om ATP te produceren uit ADP (adenosinedifosfaat) en fosfaat. De mitochondriën zijn bijzonder geschikt voor de ademhalingsketen, omdat ze door het dubbele membraan twee reactieruimtes hebben. Bovendien vinden veel metabole routes (glycolyse, citroenzuurcyclus) plaats in het mitochondrium, die de uitgangsmaterialen (NADH + H +, FADH2) voor de ademhalingsketen leveren. Deze ruimtelijke nabijheid is een ander voordeel en maakt de mitochondriën de ideale plaats voor celademhaling.

Hier kunt u alles te weten komen over het onderwerp van de ademhalingsketen

Energiebalans

De energiebalans van celademhaling bij glucose kan als volgt worden samengevat, met de vorming van 32 ATP-moleculen per glucose:

C6H12O6 + 6 O2 wordt 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Voor de duidelijkheid zijn het ADP en het fosfaatresidu Pi weggelaten uit de educten)

Onder anaerobe omstandigheden, d.w.z. zuurstofgebrek, kan de citroenzuurcyclus niet lopen en kan alleen energie worden verkregen door middel van aërobe glycolyse:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP worden 2 lactaat + 2 ATP. + 2 H2O. Dus slechts ongeveer 6% van het aandeel wordt per glucosemolecuul verkregen, zoals het geval zou zijn bij aërobe glycolyse.

Ziekten die verband houden met cellulaire ademhaling

De Cellulaire ademhaling is essentieel om te overleven, d.w.z. dat veel mutaties in de genen die coderen voor de eiwitten van celademhaling, bijv. enzymen van glycolyse, dodelijk zijn (dodelijk) zijn. Er komen echter genetische ziekten van cellulaire ademhaling voor. Deze kunnen zowel afkomstig zijn van nucleair DNA als van mitochondriaal DNA. De mitochondriën bevatten zelf hun eigen genetisch materiaal, dat nodig is voor celademhaling. Deze ziekten vertonen echter vergelijkbare symptomen, omdat ze allemaal één ding gemeen hebben: ze grijpen in in de cellulaire ademhaling en verstoren deze.

Cellulaire luchtwegaandoeningen vertonen vaak vergelijkbare klinische symptomen. Het is hier vooral belangrijk Aandoeningen van weefsels, die veel energie nodig hebben​Deze omvatten met name de zenuw-, spier-, hart-, nier- en levercellen. Symptomen zoals spierzwakte of tekenen van hersenschade komen vaak al op jonge leeftijd voor, zo niet bij de geboorte. Spreekt ook een uitgesproken Melkzuuracidose (Een oververzuring van het lichaam met lactaat, die zich ophoopt omdat het pyruvaat niet voldoende kan worden afgebroken in de citroenzuurcyclus). Inwendige organen kunnen ook defect raken.

De diagnose en therapie van ziekten van de cellulaire ademhaling moet door specialisten worden overgenomen, omdat het klinische beeld zeer divers en verschillend kan zijn. Vanaf vandaag is het nog steeds geen causale en genezende therapie geeft. De ziekten kunnen alleen symptomatisch worden behandeld.

Omdat het mitochondriaal DNA op een zeer gecompliceerde manier van moeder op kinderen wordt overgedragen, moeten vrouwen die aan een ziekte van de cellulaire ademhaling lijden, contact opnemen met een specialist als ze kinderen willen krijgen, omdat alleen zij de kans op overerving kunnen inschatten.