Aerobic Respiration

Definition

Aerobic respiration is het proces waarbij organismen zuurstof gebruiken om brandstof, zoals vetten en suikers, in chemische energie om te zetten. Bij anaërobe ademhaling daarentegen wordt geen zuurstof gebruikt.

Respiratie wordt door alle cellen gebruikt om brandstof om te zetten in energie die kan worden gebruikt om cellulaire processen aan te drijven. Het product van de ademhaling is een molecuul genaamd adenosinetrifosfaat (ATP), dat de in zijn fosfaatverbindingen opgeslagen energie gebruikt om chemische reacties aan te drijven. Het wordt vaak aangeduid als de “valuta” van de cel.

Aerobe ademhaling is veel efficiënter, en produceert ATP veel sneller, dan anaerobe ademhaling. Dit komt doordat zuurstof een uitstekende elektronenacceptor is voor de chemische reacties die betrokken zijn bij het genereren van ATP.

Aërobe vs Anaërobe

Gelijkenissen

Zowel aërobe als anaërobe ademhaling zijn methoden om energie op te wekken. Ze beginnen ook allebei op dezelfde manier, met het proces van glycolyse. “Glycolyse” betekent letterlijk “suikersplitsing”, en houdt in dat een suikermolecuul wordt afgebroken in twee kleinere moleculen.

In het proces van glycolyse worden twee ATP-moleculen verbruikt en vier aangemaakt. Dit resulteert in een netto winst van twee ATP-moleculen die worden geproduceerd voor elke suikermolecule die via glycolyse wordt afgebroken. Hier eindigen de overeenkomsten tussen aërobe en anaërobe ademhaling.

In cellen die zuurstof hebben en aërobe ademhaling kunnen voortzetten, wordt een suikermolecuul afgebroken tot twee moleculen pyruvaat. In cellen die geen zuurstof hebben, wordt het suikermolecuul afgebroken in andere vormen, zoals lactaat.

Verschillen

Na de glycolyse kunnen verschillende ademhalingschemieën een paar verschillende paden volgen:

• Cellen die aërobe ademhaling gebruiken, zetten hun elektronenoverdrachtsketen voort in een zeer efficiënt proces dat uiteindelijk 38 moleculen ATP oplevert uit elk suikermolecuul.
• Cellen die geen zuurstof krijgen maar normaal gesproken geen anaërobe ademhaling gebruiken, zoals onze eigen spiercellen, kunnen de eindproducten van de glycolyse laten liggen, waarbij ze slechts twee ATP verkrijgen per suikermolecuul dat ze splitsen. Dit is een inefficiënte methode om energie te verkrijgen door ademhaling.
• Cellen die gemaakt zijn voor anaërobe ademhaling, zoals veel soorten bacteriën, kunnen de elektronenoverdrachtsketen voortzetten om meer energie te winnen uit de eindproducten van de glycolyse.

Na de glycolyse kunnen cellen die geen zuurstof gebruiken voor de ademhaling, maar doorgaan met een elektronentransportketen, een andere elektronenacceptor gebruiken, zoals sulfaat of nitraat, om hun reactie voort te stuwen.

Deze processen vertegenwoordigen een type anaërobe ademhaling dat “gisting” wordt genoemd. Sommige typen fermentatiereacties produceren alcohol en kooldioxide. Zo worden alcoholische dranken en brood gemaakt.

Aërobe ademhaling daarentegen stuurt het pyruvaat dat overblijft van de glycolyse een heel ander chemisch pad op, waarvan de stappen hieronder in detail worden besproken.

Stappen van aërobe ademhaling

Alle vergelijking

De vergelijking voor aërobe ademhaling beschrijft de reactanten en producten van al zijn stappen, inclusief de glycolyse. Die vergelijking luidt:

1 glucose + 6 O2 → 6 CO2+ 6 H2O + 38 ATP

Samengevat worden 1 molecuul glucose met zes koolstofatomen en 6 moleculen zuurstof omgezet in 6 moleculen kooldioxide, 6 moleculen water, en 38 moleculen ATP. De reacties van de aërobe ademhaling kunnen worden onderverdeeld in vier stadia, die hieronder worden beschreven.

Glycolyse

Glycolyse is het eerste stadium van de aërobe ademhaling en vindt plaats in het cytoplasma van de cel. Hierbij wordt 1 zes-koolstof suikermolecuul gesplitst in 2 drie-koolstof pyruvaatmoleculen. Bij dit proces ontstaan twee ATP-moleculen.

De globale vergelijking is als volgt:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD+ → 2 Pyruvaat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Door dit proces wordt de co-factor NAD+ gereduceerd tot NADH. Dit is belangrijk, omdat later in het proces van de celademhaling NADH de vorming van veel meer ATP via de elektronentransportketen van de mitochondriën zal aandrijven.

In de volgende fase wordt pyruvaat verwerkt om het om te zetten in brandstof voor de citroenzuurcyclus, met behulp van het proces van oxidatieve decarboxylering.

Oxidatieve decarboxylering van pyruvaat

2 (Pyruvaat- + Co-enzym A + NAD+ → Acetyl CoA + CO2 + NADH)

Oxidatieve decarboxylering, ook wel de verbindingsreactie of de overgangsreactie genoemd, is de schakel tussen de glycolyse en de citroenzuurcyclus. Pyruvaat wordt in de mitochondriale matrix gebracht via een eiwit dat pyruvaat translocase wordt genoemd. Hier wordt het pyruvaat gecombineerd met co-enzym A om een kooldioxidemolecuul vrij te maken en acetyl-CoA te vormen.

Deze overgangsreactie is belangrijk omdat acetyl-CoA een ideale brandstof is voor de citroenzuurcyclus, die op zijn beurt het proces van oxidatieve fosforylering in de mitochondriën kan aandrijven, dat enorme hoeveelheden ATP produceert.

Bij deze reactie wordt ook meer NADH aangemaakt. Dit betekent meer brandstof om later in het proces van de celademhaling meer ATP te maken.

Citroenzuurcyclus

De citroenzuurcyclus, ook wel de tricarbonzuurcyclus of de Krebs-cyclus genoemd, is een reeks redox-reacties die begint met Acetyl CoA. Deze reacties vinden plaats in de matrix van de mitochondriën van eukaryote cellen. In prokaryote cellen vindt deze plaats in het cytoplasma. De totale reactie verloopt als volgt:

2 (ACETYL COA + 3 NAD+ + FAD + ADP + PI → CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H+ + COENZYME A)

De reactie vindt tweemaal plaats voor elke molecule glucose, aangezien er twee pyruvaten en dus twee moleculen Acetyl CoA worden gegenereerd om de citroenzuurcyclus in te gaan.

Zowel NADH als FADH2 – een andere drager van elektronen voor de elektronentransportketen – worden aangemaakt. Alle NADH en FADH2 die in de voorgaande stappen zijn gecreëerd, komen nu in het proces van oxidatieve fosforylering.

Samenvattend: voor elke ronde van de cyclus komen er twee koolwaterstoffen in de reactie in de vorm van Acetyl CoA. Deze produceren twee moleculen kooldioxide. De reacties genereren drie moleculen NADH en één molecuul FADH. Er wordt één molecuul ATP geproduceerd.

Oxidatieve fosforylering

Oxidatieve fosforylering is de voornaamste energieleverende fase van de aërobe ademhaling. Het gebruikt de gevouwen membranen binnen de mitochondriën van de cel om enorme hoeveelheden ATP te produceren.

34 (ADP + PI+ NADH + 1/2 O2 + 2H+ → ATP + NAD+ + 2 H2O)

In dit proces doneren NADH en FADH2 de elektronen die zij tijdens de vorige stappen van de celademhaling uit glucose hebben verkregen aan de elektronentransportketen in het membraan van de mitochondriën.

De elektronentransportketen bestaat uit een aantal eiwitcomplexen die zijn ingebed in het mitochondriale membraan, waaronder complex I, Q, complex III, cytochroom C, en complex IV.

Al deze dienen uiteindelijk om elektronen door te geven van hogere naar lagere energieniveaus, waarbij de energie wordt geoogst die vrijkomt bij het proces. Deze energie wordt gebruikt om protonenpompen aan te drijven, die de ATP-vorming aandrijven.

Net als de natrium-kaliumpomp van het celmembraan, worden de protonenpompen van het mitochondriale membraan gebruikt om een concentratiegradiënt op te wekken, die kan worden gebruikt om andere processen aan te drijven.

De protonen die over het membraan worden getransporteerd met behulp van de energie die wordt geoogst uit NADH en FADH2 “willen” door kanaal-eiwitten van hun gebied van hoge concentratie naar hun gebied van lage concentratie.

Specifiek zijn de kanaal-eiwitten ATP-syntheses, dat zijn enzymen die ATP maken. Wanneer protonen ATP-synthase passeren, drijven zij de vorming van ATP aan.

Dit proces is de reden waarom mitochondriën worden aangeduid als “de krachtcentrales van de cel”. De elektronentransportketen van de mitochondriën maakt bijna 90% van alle ATP die de cel produceert door voedsel af te breken.

Dit is ook de stap waarvoor zuurstof nodig is. Zonder zuurstofmoleculen om de uitgeputte elektronen aan het eind van de elektronentransportketen op te nemen, zouden de elektronen weer terugvloeien en zou het proces van ATP-creatie niet kunnen doorgaan.

Aerobe ademhaling en gewichtsverlies

Aerobe ademhaling is het proces waarbij veel cellen, waaronder de onze, energie produceren met behulp van voedsel en zuurstof. Hierbij ontstaat ook kooldioxide, dat ons lichaam vervolgens moet afvoeren.

Aerobe ademhaling is de reden waarom we zowel voedsel als zuurstof nodig hebben, aangezien beide nodig zijn om het ATP te produceren dat onze cellen in staat stelt te functioneren. We ademen O2 in en we ademen hetzelfde aantal moleculen CO2 uit. Waar komt het koolstofatoom vandaan? Het komt van het voedsel, zoals suiker en vet, dat je hebt gegeten.

Dit is ook de reden waarom je harder en sneller ademt tijdens het uitvoeren van calorieverbrandende activiteiten. Uw lichaam gebruikt zowel zuurstof als suiker in een sneller dan normaal tempo en produceert meer ATP om uw cellen aan te drijven, samen met meer CO2 afvalproduct.

Hoewel onze cellen normaal zuurstof gebruiken voor de ademhaling, wanneer we ATP sneller gebruiken dan we zuurstofmoleculen naar onze cellen krijgen, kunnen onze cellen anaerobe ademhaling uitvoeren om gedurende een paar minuten in hun behoeften te voorzien.

Leuk weetje: De ophoping van lactaat als gevolg van anaerobe ademhaling is een van de redenen waarom spieren na een intensieve inspanning pijnlijk kunnen aanvoelen!

Functie van aerobe ademhaling

Aerobe ademhaling levert energie voor alle cellulaire processen. De reacties produceren ATP, dat vervolgens wordt gebruikt om andere levensondersteunende functies aan te drijven, waaronder groei, herstel en onderhoud. ATP drijft bijvoorbeeld de werking van de natrium-kaliumpomp aan, die ons in staat stelt te bewegen, te denken en de wereld om ons heen waar te nemen. ATP drijft de werking van veel enzymen aan en de werking van talloze andere eiwitten die het leven in stand houden!

Quiz

Bibliography