Cellulaire ademhaling

Aërobe ademhaling heeft zuurstof (O2) nodig om ATP te maken. Hoewel koolhydraten, vetten en eiwitten als reactanten worden verbruikt, is aërobe ademhaling de voorkeursmethode voor de afbraak van pyruvaat in de glycolyse, en moet pyruvaat naar de mitochondriën om daar volledig te worden geoxideerd door de citroenzuurcyclus. De producten van dit proces zijn kooldioxide en water, en de overgedragen energie wordt gebruikt om bindingen in ADP te verbreken en een derde fosfaatgroep toe te voegen om ATP (adenosinetrifosfaat) te vormen, door fosforylering op substraatniveau, NADH en FADH2

De negatieve ΔG geeft aan dat de reactie spontaan kan verlopen.

Het potentieel van NADH en FADH2 wordt omgezet in meer ATP via een elektronentransportketen met zuurstof en protonen (waterstof) als de “eindelektronenacceptoren”. Het grootste deel van het ATP dat door aërobe celademhaling wordt geproduceerd, wordt gemaakt door oxidatieve fosforylering. De energie van de vrijgekomen O2 wordt gebruikt om een chemiosmotisch potentiaal te creëren door protonen over een membraan te pompen. Deze potentiaal wordt vervolgens gebruikt om ATP synthase aan te drijven en ATP te produceren uit ADP en een fosfaatgroep. In leerboeken over biologie staat vaak dat tijdens de celademhaling 38 ATP-moleculen per geoxideerde glucosemolecule kunnen worden gemaakt (2 uit de glycolyse, 2 uit de Krebs-cyclus, en ongeveer 34 uit het elektronentransportsysteem). Deze maximale opbrengst wordt echter nooit helemaal bereikt vanwege verliezen door lekkende membranen en de kosten van het verplaatsen van pyruvaat en ADP naar de mitochondriale matrix, en de huidige schattingen liggen rond de 29 tot 30 ATP per glucose.

Aerobe stofwisseling is tot 15 maal efficiënter dan anaerobe stofwisseling (die 2 moleculen ATP per 1 molecuul glucose oplevert) omdat de dubbele binding in O2 een hogere energie heeft dan andere dubbele bindingen of paren van enkele bindingen in andere veel voorkomende moleculen in de biosfeer. Sommige anaërobe organismen, zoals de methanogenen, kunnen echter doorgaan met anaërobe ademhaling, waarbij meer ATP wordt geproduceerd door andere anorganische moleculen (niet zuurstof) met een hoge energie te gebruiken als uiteindelijke elektronenacceptoren in de elektronentransportketen. Zij delen de aanvankelijke weg van de glycolyse, maar het aërobe metabolisme gaat verder met de Krebs-cyclus en de oxidatieve fosforylering. De post-glycolytische reacties vinden plaats in de mitochondriën bij eukaryote cellen, en in het cytoplasma bij prokaryote cellen.

Glycolyse

Uit het cytoplasma gaat het met het acetyl-CoA de Krebs-cyclus in. Het vermengt zich dan met CO2 en maakt 2 ATP, NADH, en FADH. Van daaruit gaan de NADH en FADH naar de NADH-reductase, die het enzym produceert. Het NADH trekt de elektronen van het enzym aan om door de elektronentransportketen te sturen. De elektronentransportketen trekt H+ ionen door de keten. Vanuit de elektronentransportketen maken de vrijgekomen waterstofionen ADP voor een eindresultaat van 32 ATP. O2 levert het grootste deel van de energie voor het proces en combineert met protonen en de elektronen om water te maken. Tenslotte verlaat ATP via het ATP-kanaal de mitochondriën.

Glycolyse is een stofwisselingsroute die plaatsvindt in het cytosol van cellen in alle levende organismen. Glycolyse kan letterlijk worden vertaald als “suikersplitsing”, en vindt plaats met of zonder de aanwezigheid van zuurstof. In aërobe omstandigheden wordt bij dit proces één molecuul glucose omgezet in twee moleculen pyruvaat (pyrodruivenzuur), waarbij energie wordt gegenereerd in de vorm van twee nettomoleculen ATP. In feite worden per glucose vier moleculen ATP geproduceerd, maar in de voorbereidende fase worden er twee verbruikt. De initiële fosforylering van glucose is nodig om de reactiviteit te verhogen (de stabiliteit te verlagen), zodat het molecuul door het enzym aldolase in twee pyruvaatmoleculen kan worden gesplitst. Tijdens de uitbetalingsfase van de glycolyse worden vier fosfaatgroepen overgedragen op ADP door fosforylering op substraatniveau om vier ATP te maken, en worden twee NADH geproduceerd wanneer het pyruvaat wordt geoxideerd. De totale reactie kan als volgt worden uitgedrukt:

Glucose + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 pyruvaat + 2 H+ + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+ + 2 H2O + energie

Beginnend met glucose, wordt 1 ATP gebruikt om een fosfaat af te staan aan glucose om glucose-6-fosfaat te produceren. Glycogeen kan ook worden omgezet in glucose-6-fosfaat met behulp van glycogeen-fosforylase. Tijdens het energiemetabolisme wordt glucose-6-fosfaat omgezet in fructose-6-fosfaat. Een extra ATP wordt gebruikt om fructose-6-fosfaat te fosforyleren tot fructose-1,6-bisfosfaat met behulp van fosfofructokinase. Fructose 1,6-bifosfaat splitst zich vervolgens in twee gefosforyleerde moleculen met drie koolstofketens, die later worden afgebroken tot pyruvaat.

Oxidatieve decarboxylering van pyruvaat

Pyruvaat wordt geoxideerd tot acetyl-CoA en CO2 door het pyruvaat dehydrogenase complex (PDC). Het PDC bevat meerdere kopieën van drie enzymen en bevindt zich in de mitochondriën van eukaryote cellen en in het cytosol van prokaryoten. Bij de omzetting van pyruvaat in acetyl-CoA wordt één molecuul NADH en één molecuul CO2 gevormd.

Vetzuurcyclus

Dit wordt ook wel de Krebs-cyclus of de tricarbonzuurcyclus genoemd. Wanneer zuurstof aanwezig is, wordt acetyl-CoA geproduceerd uit de pyruvaatmoleculen die bij de glycolyse zijn ontstaan. Zodra acetyl-CoA is gevormd, kan aërobe of anaërobe ademhaling plaatsvinden. Als er zuurstof aanwezig is, zullen de mitochondriën een aërobe ademhaling ondergaan die leidt tot de Krebs-cyclus. Als er echter geen zuurstof aanwezig is, zal fermentatie van de pyruvaatmolecule plaatsvinden. In aanwezigheid van zuurstof, wanneer acetyl-CoA wordt geproduceerd, komt de molecule vervolgens in de citroenzuurcyclus (Krebs-cyclus) binnen de mitochondriale matrix, en wordt geoxideerd tot CO2 terwijl tegelijkertijd NAD wordt gereduceerd tot NADH. NADH kan door de elektronentransportketen worden gebruikt om verder ATP te maken als onderdeel van oxidatieve fosforylering. Om het equivalent van één glucosemolecuul volledig te oxideren, moeten twee acetyl-CoA door de Krebs-cyclus worden gemetaboliseerd. Tijdens deze cyclus ontstaan twee laag-energetische afvalproducten, H2O en CO2.

De citroenzuurcyclus is een 8-stapsproces waarbij 18 verschillende enzymen en co-enzymen betrokken zijn. Tijdens de cyclus levert acetyl-CoA (2 koolhydraten) + oxaloacetaat (4 koolhydraten) citraat (6 koolhydraten) op, dat wordt omgevormd tot een meer reactieve vorm die isocitraat (6 koolhydraten) wordt genoemd. Isocitraat wordt omgevormd tot α-ketoglutaraat (5 koolwaterstoffen), succinyl-CoA, succinaat, fumaraat, malaat, en, tenslotte, oxaloacetaat.

De netto opbrengst van één cyclus is 3 NADH en 1 FADH2 als waterstof- (proton plus elektron)-voerende verbindingen en 1 hoogenergetisch GTP, dat vervolgens kan worden gebruikt om ATP te produceren. De totale opbrengst van 1 glucosemolecuul (2 pyruvaatmoleculen) is dus 6 NADH, 2 FADH2, en 2 ATP.

Oxidatieve fosforylering

In eukaryoten vindt oxidatieve fosforylering plaats in de mitochondriale cristae. Het omvat de elektronentransportketen die een protonengradiënt (chemiosmotische potentiaal) tot stand brengt over de grens van het binnenmembraan door oxidatie van het NADH dat wordt geproduceerd uit de Krebs-cyclus. ATP wordt gesynthetiseerd door het ATP-synthase enzym wanneer de chemiosmotische gradiënt wordt gebruikt om de fosforylering van ADP aan te drijven. De elektronenoverdracht wordt aangedreven door de chemische energie van exogene zuurstof en, met toevoeging van twee protonen, wordt water gevormd.