Een dierlijke cel is een dynamisch systeem waarin per seconde miljarden chemische omzettingen plaatsvinden. Die omzettingen kunnen energie opleveren, als grote moleculen worden afgebroken tot kleinere. Er vinden ook voortdurend chemische reacties plaats die energie kosten, als kleinere moleculen worden omgezet in grotere.
Celstofwisseling
Klik op de afbeelding om deze te vergroten.
In cellen vinden talloze chemische reacties plaats.
Als deze reacties samen worden de celstofwisseling genoemd.
De wetenschappelijke term daarvoor is metabolisme.
Het kan onder andere gaan om:
de aanmaak van stoffen, bijvoorbeeld door het vastleggen
van zonne-energie.
de opname van stoffen uit de omgeving.
het omzetten van stoffen in andere stoffen.
het vrijmaken van energie uit stoffen.
het verwerken van afvalstoffen
Veel van deze reacties kosten energie, maar er zijn ook reacties
waarbij energie wordt vrijgemaakt.
Assimilatie en dissimilatie
Bij een deel van de reacties in cellen worden organische stoffen opgebouwd uit eenvoudiger organische stoffen of uit anorganische stoffen zoals koolstofdioxide en water. Voor deze zogenoemde assimilatie - reacties is energie nodig.
We spreken van dissimilatie – reacties als organische stoffen worden afgebroken. Hierbij komt energie vrij.
De energie die vrijkomt, kan weer gebruikt worden voor allerlei assimilatieprocessen in de cel.
Vormen van energie
Energie bestaat in vele vormen: licht, warmte, bewegingsenergi
(ook wel kinetische energie genoemd), chemische energie.
Cellen kunnen energie van de ene in de andere vorm omzetten.
Het unieke daarvan is dat energie in bruikbare ‘eenheden’ kan worden omgezet, welke ook uitwisselbaar zijn. Bovendien is het energieverlies (in de vorm van warmte) erg laag.
Zo wordt bijvoorbeeld de lichtenergie van de zon via de fotosynthese in planten uiteindelijk bruikbaar voor het bewegen van je spieren.
Energieoverdracht
Alle processen in cellen waarbij de ordening van het systeem toeneemt (bijvoorbeeld de synthese van een molecuul uit atomen) kosten energie.
Om dit in een cel mogelijk te maken moeten er dus ook processen zijn die energie leveren (bijvoorbeeld de afbraak van een molecuul).
De cel beschikt over bepaalde stoffen, die zeer geschikt zijn om de energie van het ene proces op het andere over te dragen.
Dat zijn ATP, NAD+ en NADP+.
Functies van ATP
Het molecuul ATP (Adenosine-Tri –Phosphate) bevat tussen de drie fosfaatgroepen twee bindingen die veel energie bevatten. De fosfaatgroepen zijn negatief geladen en het kost daardoor veel energie om ze bij elkaar te brengen en te koppelen.
Bij de splitsing van ATP in ADP (Adenosine Di Phosfaat) en Pi(Pi staat voor inorganic Phosphate, PO43-) komt deze energie weer vrij.
Ook de splitsing van ADP in AMP (Adenosine Mono Phosfaat) en Pi levert energie.
Functie van ATP
We bekijken een reactie, de omzetting van glutamaat en NH4+in glutamine.
Deze reactie verloopt niet spontaan. De direct verbinding van de ammonia groep aan glutamaat kost zoveel energie dat de reactie niet kan plaatsvinden.
Door de reactie in twee stappen te laten verlopen (met de vorming van een energierijk tussenproduct, glutamylfosfaat), kan de reactie in de cel toch verlopen.
Allereerst wordt ATP gesplitst in ADP en Pi. Dit levert energie die vervolgens gebruikt wordt om de fosfaatgroep aan glutamaat te koppelen. Nu is het tussenproduct glutamylfosfaat gevormd. In de tweede stap wordt de fosfaatgroep vervangen door de ammoniagroep en wordt glutamine gevormd.
ATP kan andere stoffen fosforyleren. Fosfaatgroepen worden dan aan de stoffen gekoppeld, waardoor deze geactiveerd worden en verder kunnen reageren. Ook enzymen kunnen worden geactiveerd door fosforylering.
De fosfaatgroep die vrijkomt bij de splitsing van ATP kan ook worden overgedragen op bijvoorbeeld een membraaneiwit. Door deze binding wordt dan het actieve transport via het membraaneiwit aangedreven.
Vorming van ATP via elektronentransportketen
De verbranding van brandstoffen (koolhydraten, vetten) levert energie.
Deze energie kan gebruikt worden om ATP te maken. Als de energie van deze brandstoffen in één keer beschikbaar komt, zal er veel van de energie verloren gaan als warmte. De afbraak van brandstoffen gaat dan ook stapsgewijs.
In een aantal stappen wordt de brandstof ontdaan van waterstof en elektronen (de brandstof wordt dan geoxideerd).
De vrijgekomen elektronen en H+ worden overgedragen aan de elektronenacceptor NAD+. NAD+ wordt zo gereduceerd tot NADH. De energie van de elektronen kan via een aantal tussenstapjes in een elektronentransportketen vrijkomen en dan worden gebruikt om ATP te maken. (zie "Zonne-energie vastleggen") Uiteindelijk worden de elektronen samen met H+ opgenomen door zuurstof en wordt water (H2O) gevormd.
In plantencellen vinden soortgelijke reacties plaats, maar hier wordt een andere elektronenacceptor voor gebruikt, NADP+ in plaats van NAD+.
Zonne-energie vastleggen
De drijvende kracht achter alle processen in cellen is uiteindelijk de energie van de zon. Toch kunnen de meeste organismen deze energie hooguit gebruiken om hun temperatuur op peil te houden. Alleen organismen met bladgroen zoals planten, algen en enkele bacteriesoorten (cyanobacteriën) kunnen het zonlicht ook benutten om van te leven . Ze gebruiken de energie om uit water en koolstofdioxide organische stoffen te maken. Het proces waarin ze dit doen heet fotosynthese.
Een kleine groep bacteriën kan leven van de energie uit de oxidatie van energierijke anorganische verbindingen. Met behulp van die energie maken ze de organische stoffen die ze nodig hebben. Daarbij is geen zonlicht nodig.
Dit proces heet chemosynthese. Alle organismen zijn afhankelijk van organische stoffen die via fotosynthese of chemosynthese zijn gemaakt.
Bij dieren komen deze processen niet voor. Zij zijn daarom afhankelijk van planten of bacteriën die deze processen wel uit kunnen voeren.
Energie van de zon bereikt de aarde
Licht is een vorm van energie die wordt benut door verschillende organismen. Licht maakt reacties mogelijk in planten en in bepaalde bacteriesoorten waarbij de reactie gestart of gedreven wordt oor lichtenergie.
Niet alle energie die door de zon wordt uitgestraald, kan door deze organismen worden benut. Ongeveer de helft wordt teruggekaatst door de atmosfeer, de wolken en het aardoppervlak. Van het deel dat de aarde wel bereikt, valt ongeveer de helft op planten op aarde en in oceanen.
De helft van dat zonlicht heeft een golflengte die door planten geabsorbeerd kan worden.
De rest wordt gereflecteerd.
Alles bij elkaar opgeteld blijkt dat maar 5% van de zonne-energie die de aarde bereikt omgezet wordt in plantaardig materiaal.
Zonlicht is een vorm van elektromagnetische straling die in kleine pakketjes (fotonen) wordt uitgezonden. De hoeveelheid energie per foton is afhankelijk van de golflengte van het licht. Planten bezitten een aantal verschillende kleurstoffen, pigmenten, die lichtenergie kunnen opnemen. Bladgroen (chlorofyl a en b) absorbeert voornamelijk rood en blauw licht.
Het reflecteert groen licht en ziet er daardoor groen uit. Energie uit andere golflengtes wordt opgevangen door pigmenten met een andere kleur, zoals Β-caroteen en xantofyll.
Chlorofyl bevindt zich in bladgroenkorrels (chloroplasten). Samen met een aantal eiwitten liggen de chlorofylmoleculen in de gestapelde membranen van de bladgroenkorrels (thylakoïden).
Het geheel van een bepaald chlorofyl samen met andere eiwitten noemen we een Fotosysteem.
Aangeslagen elektronen/fotosysteem I en II - VWO
Aangeslagen elektronen
Wanneer chlorofyl getroffen wordt door een foton, kan het zijn dat sommige elektronen zoveel energie opnemen, dat ze verder van de atoomkern verwijderd worden.
Men zegt dan dat het elektron in “aangeslagen” toestand is. Wanneer het elektron weer terugvalt naar zijn grondtoestand kan de vrijkomende energie gebruikt worden om een elektronentransport in het fotosysteem op gang te brengen. In het reactie centrum wordt het elektron overgedragen aan een elektronenacceptor.
Via een aantal overdrachtsstoffen komt die energie uiteindelijk beschikbaar voor de synthese van glucose (zie "Anaërobe dissimilatie: zonder zuurstof").
Fotosysteem I en II
Er zijn twee fotosystemen, ieder met een eigen soort reactiecentrum.
Ze worden fotosysteem I en II genoemd, in volgorde van hun ontdekking.
Fotosysteem I bevat chlorofylmoleculen die vooral licht met een golflengte van 700 nm absorberen.
Fotosysteem II is vooral gevoelig voor licht van 680 nm.
Het lichtafhankelijke deel van de fotosynthese begint met reacties in Fotosysteem II.
De lichtreactie/de aanmaak van ATP in de chloroplast - VWO
De lichtreactie
Chemisch gezien is fotosynthese het vastleggen van koolstofdioxide in de vorm van koolhydraten. Het proces kost energie; die energie wordt geleverd door de zon. Fotosynthese bestaat uit twee stappen, de lichtreactie en de donkerreactie. De lichtreactie is de naam voor het lichtafhankelijke deel.
De lichtreactie begint met het absorberen van licht door fotosysteem II.
De aangeslagen elektronen worden overgedragen via een elektronentransportketen aan fotosyteem I.
Bij dit transport komt een deel van de energie vrij.
Dit wordt gebruikt om ATP te maken.
Er ontstaat op die manier een tekort aan elektronen in fotosysteem II.
Dat tekort kan worden aangevuld door de splitsing van water.
H O -> 2H + ½ O2 + 2 e
Ook fotosysteem I absorbeert licht. Hierdoor raken ook hier elektronen
in aangeslagen toestand. Aan het einde van de transportketen worden
de elektronen overgedragen aan NADP+.
De opbrengst van de lichtreactie is dus ATP en NADPH + H+
De aanmaak van ATP in de chloroplast
De membranen in de chloroplast liggen gestapeld in de thylakoïden.
De protonen (H+ ) die afkomstig zijn van het gesplitste water, komen in de binnenruimte van de thylakoïden terecht.
Daardoor ontstaat een protonen gradiënt. Deze gradiënt drijft het ATP-synthase aan, dat in de membraan ligt. Daardoor wordt ADP+Pi omgezet in ATP.
Vastleggen van koolstof en voortgezette assimilatie
De energie die in de lichtreactie is vastgelegd in de vorm ATP, kan de cel nu gebruiken om koolstof vast te leggen in de vorm van glucose (koolstofassimilatie). Hiervoor wordt eerst koolstofdioxide via de huidmondjes in het blad opgenomen. Met de gevormde glucose als uitgangsproduct kan de cel alle andere stoffen maken. Dit wordt voortgezette assimilatie genoemd.
Assimilatie en dissimilatie zijn met elkaar verbonden omdat glyceraldehyde 3 fosfaat (G3P) uit de Calvincyclus kan worden omgezet in pyrodruivezuur voor de dissimilatie, maar ook gebruik kan worden om eiwitten en vetten te maken.
De glucose die tijdens de fotosynthese of chemosynthese wordt gevormd,
kan voor een aantal doeleinden worden gebruikt:
Voor de synthese van aminozuren.
Hiervoor zijn ook mineralen zoals stikstof, fosfor en zwavel nodig.
Als reservestof, opgeslagen in de vorm van glycogeen, zetmeel, vet.
Voor omzetting in saccharose, om vervolgens vervoerd te worden naar die delen van de plant waar geen fotosynthese plaats vindt.
Als brandstof in de dissimilatie. De energie (in de vorm van ATP) die daarbij vrijkomt kan gebruikt worden voor allerlei processen.
De donkerreactie in detail - VWO
In de tweede stap van de fotosynthese, de donkerreactie (ook wel Calvincyclus genoemd) wordt koolstof vastgelegd.
Deze reactieketen dankt zijn naam aan het feit dat er geen licht voor nodig is. Het wil niet zeggen dat de reacties alleen in het donker kunnen verlopen.
In deze reactieketen wordt ATP en NADPH + H+ gebruikt om CO2 vast te leggen en verschillende organische verbindingen te maken, waaronder glucose.
CO2 uit de lucht wordt gekoppeld aan een stof met vijf koolstofatomen (C5, de grijze bolletjes in de figuur). Er ontstaat een C6 verbinding die direct wordt omgezet in twee C3 verbindingen. Deze C3 verbindingen worden gereduceerd met behulp van ATP en NADPH uit de lichtreactie. Van elke zes C3 verbindingen die zo ontstaan (zie figuur), worden er vijf gebruikt om C5 verbindingen terug te vormen. De zesde C3 verbindingen verlaat de keten en wordt gebruikt om glucose te maken.
Reactiesnelheid van de fotosynthese
De reactiesnelheid van de fotosynthese is van een aantal factoren afhankelijk: voldoende chlorofyl, CO2, H2O en licht.
Om voldoende chlorofyl te kunnen vormen, moet een plant in het licht staan. Bovendien zijn voor de opbouw stikstof en magnesium nodig.
De CO2-concentratie in de lucht (0,03%) beperkt bij veel planten de snelheid van de fotosynthese. In kassen kan men deze concentratie verhogen, wat de snelheid van de fotosynthese verhoogt.
Bij watergebrek zullen planten de verdamping beperken door hun huidmondjes te sluiten. Hierdoor wordt de uitwisseling van gassen, en dus de fotosynthese, belemmerd.
Bij lage lichtintensiteit is de snelheid van de fotosynthese recht evenredig met de lichtintensiteit. Bij een bepaalde lichtintensiteit heeft verdere verhoging geen zin meer. Andere factoren (b.v. de CO2 concentratie) worden dan beperkend.
De beperkende factor is de factor die de ontwikkeling remt, terwijl alle andere factoren in voldoende mate aanwezig zijn.
VWO:
Samenvatting van de fotosyntheseprocessen in de chloroplast.
Chemosynthese - VWO
De meeste voedselketens beginnen met fotosynthese. Maar diep in de oceaan en in de grond is geen licht.
Organismen op de zeebodem leven van plantaardig en dierlijk materiaal dat naar beneden zakt; ze zijn dus heterotroof. Ze maken gebruik van organische stoffen die gemaakt zijn door andere organismen.
Maar er komen ook bacteriën voor die in staat zijn anorganische stoffen zoals H2S, NH3 en Fe2+ te oxideren. Met de energie die dat oplevert maken ze uit CO2en H2O organische stoffen.
Zwavelbacteriën bijvoorbeeld oxideren sulfide tot zwavel
CO2 + O2 + 4H2S → CH2O + 4 S + 3 H2O
Om planten van voldoende nitraten te voorzien zijn bacteriën in de bodem erg belangrijk.
Nitraatbacteriën oxideren nitriet tot nitraat
2 NO2- + O2 → 2 NO3- + energie
Oogsten van chemische energie
Levende cellen hebben energie nodig voor alle taken die ze moeten uitvoeren. Daarvoor benutten ze de chemische energie die in organische moleculen ligt opgeslagen. Ze gebruiken die chemisch gebonden energie om ATP te vormen. De ATP kan gebruikt worden om allerlei reacties aan te drijven.
Afbraak van glucose
Tijdens fotosynthese maken planten glucose uit koolstofdioxide en water met behulp van energie uit zonlicht. De glucose wordt gebruikt als energieleverancier en voor de synthese van allerlei koolhydraten, eiwitten, vetten en nucleïnezuren.
Al deze stoffen bevatten veel chemisch gebonden energie. Als ze worden afgebroken komt een gedeelte van deze energie weer vrij.
Die afbraak gaat in stapjes. De grotere moleculen worden vaak eerst ontleed in bouwstenen (bijvoorbeeld monosachariden, aminozuren, glycerol en vetzuren, nucleotiden). Als de afbraak volledig is, blijven tenslotte CO2en H2O over.
Maar vaak is de afbraak niet volledig. Er blijven allerlei kleine organische stoffen over.
Met behulp van al deze moleculen en de opgenomen mineralen kunnen de cellen precies die stoffen maken die ze nodig hebben. Ze gebruiken een deel van de vrijgekomen energie voor de opbouw.
Oxidatie - VWO
In veel chemische reacties heb je te maken met een overdracht van elektronen van de ene stof naar de andere. Deze reacties noemt men redox reacties.
Het toevoegen van elektronen aan een stof wordt reductie genoemd.
Stoffen die gemakkelijk elektronen afstaan heten reductoren. Ze worden zelf geoxideerd.
Het onttrekken van elektronen kan bijvoorbeeld door reactie met zuurstof (zuurstof neemt elektronen op en is dus een oxidator).
Om elektronen weg te trekken is energie nodig. Als het donor-atoom sterk elektronegatief is (en zijn elektronen dus sterk aantrekt) is er meer energie nodig.
Een elektron verliest potentiële energie als het van een minder naar een meer elektronegatief atoom (zoals zuurstof) overgaat. Daardoor levert de oxidatie (verbranding) van een stof energie.
Vooral vetten leveren veel energie. Ze bevatten veel waterstof (bijvoorbeeld stearinezuur, C17 H35 COOH) en kunnen dus veel H+ en elektronen afstaan.
NAD+ - VWO
NAD+ is een coenzym dat bij veel reacties in cellen een rol speelt. Het kan waterstofatomen ontvangen van een substraat. (Het substraat wordt dan geoxideerd.) Een enzym (een dehydrogenase) haalt twee waterstofatomen weg van een substraat (bijvoorbeeld glucose). Het levert twee elektronen en één proton aan het coenzym NAD+. En dat wordt evrvolgens omgezet in NADH. Het andere proton komt vrij.
De elektronen worden stapsgewijs overgedragen op zuurstof via een NAD+ en een elektronentransportketen (zie "Elektronentransportketen"). Hierdoor wordt voorkomen dat de beschikbare energie uit waterstof in een grote knal vrijkomt en grotendeels verloren gaat, (zoals dat bijvoorbeeld gebeurt wanneer waterstof met zuurstof reageert).
In plaats daarvan kan de vrijgekomen energie door de cel gebruikt worden om ATP te maken. Bij veel reacties werkt ook FAD (Flavine-adenine-dinucleotide) als elektronenacceptor. Het kan worden gereduceerd tot FADH2.
Oxidatie van glucose
De oxidatie van glucose wordt aerobe dissimilatie genoemd (aeroob = met zuurstof).
Eerst wordt het glucosemolecuul stukje bij beetje uit elkaar gehaald. Dat gebeurt in twee reactieketens, de glycolyse in het cytoplasma en de citroenzuurcyclus in de mitochondriën.
Alle waterstofatomen worden eraf gehaald en ook de koolstofatomen worden van elkaar afgekoppeld en er vindt er een reactie plaats met zuurstof.
De reactie met zuurstof heet verbranding ofwel oxidatie.
De producten die hierbij ontstaan, zijn koolstofdioxide en water.
De totale reactievergelijking is:
C6H12O2 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP.
Samenvatting van glucose in detail
De functie van dissimilatie is het leveren van energie en bouwstenen. Voor de dissimilatie worden voornamelijk koolhydraten, eiwitten en vetten gebruikt. Vooral vetten leveren veel energie. Ze bevatten veel waterstof ten opzicht van zuurstof en kunnen dus veel H+ en elektronen afstaan.
Of het lichaam koolhydraten of vet verbrandt hangt af van de duur en de intensiteit van de inspanning.
Glycolyse
De eerste stap van de afbraak van glucose is de glycolyse. Dit proces verloopt in een aantal stappen. Glucose wordt geactiveerd door er fosfaatgroepen aan vast te koppelen: fosforylering. Er ontstaat fructosedifosfaat. Dat kost 2 ATP moleculen (en water), die omgezet worden in 2 ADP plus 2H+.
Fructosedifosfaat wordt omgezet in twee glyceraldehyde-3-fosfaat moleculen.
Die worden in een aantal stappen omgezet in pyrodruivenzuur. Daarbij ontstaan (per omzetting van G3P) 2 ATP moleculen en een NADH + H+.
(In totaal per molecuul glucose dus 4 ATP en 2 NADH2 + H+2).
Netto is er bij de afbraak van een glucosemolecuul tot pyrodruivezuur dus 2 ATP en 2 NADH + H+ ontstaan.
Voor de volgende keten van reacties wordt pyrodruivenzuur opgenomen in de mitochondriën, omgezet in azijnzuur (een C2-verbinding) en gecombineerd met een co-enzym tot acetyl-coenzym A (acetyl-CoA; acetyl = azijnzuur).
Hierbij komt CO2 vrij en wordt NADH + H+ gevormd.
Acetyl-CoA speelt een centrale rol in de stofwisseling: aminozuren en vetzuren die worden ook geoxideerd worden eerst omgezet in acetyl-CoA.
Citroenzuurcyclus
De citroenzuurcyclus is een cirkel van reacties die verloopt in de mitochondriën. De cyclus dankt zijn naam aan de eerste reactie: de vorming van citroenzuur uit acetyl-CoA en oxaalazijnzuur.
De ‘winst’ van de citroenzuurcyclus is het vrijmaken van H+, gekoppeld aan NAD of FAD, die vervolgens gebruikt kunnen worden voor de synthese van ATP.
Per molecuul glucose wordt de cyclus tweemaal doorlopen, waarbij in totaal 6 NADH+ H+ wordt gevormd. Er wordt H2O verbruikt en er komt CO2 vrij.
De C4-verbinding die overblijft, oxaalazijnzuur kan weer dienst doen voor de binding van acetyl-CoA tot citroenzuur. Op die manier is de cirkel rond.
Oxidatie fosforylering
Het is nog niet zo lang bekend dat er twee manieren zijn om ATP te maken.
De eerste is de overdracht van fosfaat van een energierijk naar een minder energierijk molecuul. Bij de tweede manier is er een stroom van waterstofionen ofwel protonen nodig en het enzymcomplex ATP-synthase.
Elektronentransportketen
Het resultaat van de dissimilatie tot nu toe is een klein beetje ATP (24 moleculen per afgebroken glucose) en een groot aantal NADH + H+ moleculen.
Daarnaast is er ook FADH2 gevormd.
Het volgende proces bestaat uit drie stappen die we na elkaar zullen bespreken.
Eerst passeren de elektronen een serie eiwitten die we de elektronentransportketen noemen.
Hierbij worden de elektronen vanuit NADH en FADH2 overgedragen op een reeks van sterkere oxidatoren (redoxketen), die zich in het binnenste membraan van een mitochondrium bevinden. Het energieniveau van de elektronen wordt daarbij steeds lager.
Uiteindelijk neemt zuurstof als sterkste oxidator twee elektronen op en wordt O2-.
Na binding van twee H+ ionen ontstaat er H2- O.
Voor de onttrokken elektronen zijn er in totaal 12 O atomen nodig (dus 6 O2moleculen).
Waterstofpompen
De vrijgekomen energie uit de elektronentransportketen wordt gebruikt om protonen van NADH+ + H+ en FADH2 naar de ruimte tussen de binnenmembraan en de buitenmembraan van de mitochondriën te transporteren.
In de ruimte tussen het binnenmembraan en het buitenmembraan van de mitochondriën is de opgehoopte hoeveelheid protonen een bron van potentiële energie.
ATP-ase
Door de werking van de protonenpompen is de concentratie protonen tussen de twee membranen van het mitochondrium hoger dan binnenin het mitochondrium. Dit concentratieverschil vertegenwoordigt potentiële energie. Zodra de protonen de kans krijgen, zullen ze terugstromen totdat de concentratie aan beide zijden van het membraan weer gelijk is. Je kunt dit vergelijken met de potentiële energie van water achter een stuwdam, waarmee elektriciteit kan worden opgewekt.
Het membraan van een mitochondrium bevat een molecuulcomplex dat de potentiële energie uit het concentratieverschil in protonen kan omzetten in ATP.
Dit molecuulcomplex heet ATP-ase; het zorgt voor de grote hoeveelheid ATP die bij de aerobe dissimilatie vrijkomt.
Per NADH+ H+ is er voldoende energie om 3 ATP te vormen, FADH2 levert energie voor 2 ATP.
Samenvatting aërobe dissimilatie en oxidatieve fosforylering
Anaërobe dissimilatie: zonder zuurstof
Op veel plaatsen bevinden zich anaerobe bacteriën, die zonder zuurstof leven. Denk aan de bodem van een modderige sloot en ons darmstelsel.
Toch kunnen anaerobe bacteriën wel ATP maken en hebben ze ook dissimilatie.
Ook de cellen van ons lichaam kunnen een tijdje zonder zuurstof.
Hun stofwisseling lijkt dan op die van anaerobe bacteriën.
Melkzuur- en alcoholische gisting
Een sporter die een te grote inspanning levert, verzuurt. In zijn spieren ontstaat dan melkzuur.
Dit is als volgt te verklaren:
Als er geen zuurstof beschikbaar is, stopt de elektronenstransportketen.
Het bij de glycolyse gevormde pyrodruivenzuur doet dienst als waterstofacceptor voor het waterstof dat in de glycolyse aan glucose is onttrokken. Er ontstaat daardoor melkzuur.
Dit proces noemt men melkzuurgisting. Het komt bij een aantal bacteriën (bijvoorbeeld melkzuurbacteriën) voor en ook in menselijke spiercellen.
Op deze manier kunnen de cellen nog een beetje ATP produceren, ook als er onvoldoende zuurstof is.
Melkzuur is giftig. Als het zich ophoopt (verzuring in je spieren), stopt je met bewegen en 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.
Gist is een schimmelsoort die zowel aeroob als anaeroob glucose kan dissimileren. Bij de anaerobe dissimilatie ontstaat er alcohol (ethanol) en koolstofdioxide.
Deze vorm van dissimilatie heet alcoholische gisting.
Ethanol bevat nog veel energie. Hierdoor ontstaat er maar heel weinig ATP bij deze vorm van dissimilatie.
Biotechnologie en anaërobe dissimilatie
Melkzuurgisting is de basis van de productie van bijvoorbeeld kaas, boter, karnemelk, yoghurt en zuurkool. De melkzuurbacteriën vormen zoveel melkzuur, dat de zuurgraad snel daalt beneden pH 5. Veel andere bacteriën kunnen bij deze pH niet leven, zodat een houdbaar product ontstaat.
Naast melkzuurgisting wordt er bij het maken van producten ook gebruik gemaakt van alcoholische gisting. Voorbeelden van producten die worden gemaakt met behulp van alcoholische gisting zijn wijn, bier en brood. Het maken van producten waarbij melkzuurgisting of alcoholische gisting wordt gebruikt is een vorm van biotechnologie.” Er zijn tal van bacteriesoorten en gistsoorten die in de biotechnologie gebruikt worden.
Anaerobe bacteriën in onze uitwerpselen leven van de anaerobe dissimilatie van organische verbindingen.
De resterende organische producten worden in rioolwaterzuiveringsinstallaties door zowel anaerobe als aerobe bacteriesoorten afgebroken tot koolstofdioxide en water. Een stof als nitraat kan via een aantal tussenstappen door anaerobe bacteriën worden omgezet in stikstof en water.
Ook in rioolwaterzuiveringsinstallaties speelt biotechnologie dus een belangrijke rol.
Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 4.0 Internationale licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:
het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.
Een dierlijke cel is een dynamisch systeem waarin per seconde miljarden chemische omzettingen plaatsvinden. Die omzettingen kunnen energie opleveren, als grote moleculen worden afgebroken tot kleinere. Er vinden ook voortdurend chemische reacties plaats die energie kosten, als kleinere moleculen worden omgezet in grotere.
Bij een deel van de reacties in cellen worden organische stoffen opgebouwd uit eenvoudiger organische stoffen of uit anorganische stoffen zoals koolstofdioxide en water. Voor deze zogenoemde assimilatie - reacties is energie nodig.
Het molecuul ATP (Adenosine-Tri –Phosphate) bevat tussen de drie fosfaatgroepen twee bindingen die veel energie bevatten. De fosfaatgroepen zijn negatief geladen en het kost daardoor veel energie om ze bij elkaar te brengen en te koppelen.
De verbranding van brandstoffen (koolhydraten, vetten) levert energie.
De drijvende kracht achter alle processen in cellen is uiteindelijk de energie van de zon. Toch kunnen de meeste organismen deze energie hooguit gebruiken om hun temperatuur op peil te houden. Alleen organismen met bladgroen zoals planten, algen en enkele bacteriesoorten (cyanobacteriën) kunnen het zonlicht ook benutten om van te leven . Ze gebruiken de energie om uit water en koolstofdioxide organische stoffen te maken. Het proces waarin ze dit doen heet fotosynthese.
De energie die in de lichtreactie is vastgelegd in de vorm ATP, kan de cel nu gebruiken om koolstof vast te leggen in de vorm van glucose (koolstofassimilatie). Hiervoor wordt eerst koolstofdioxide via de huidmondjes in het blad opgenomen. Met de gevormde glucose als uitgangsproduct kan de cel alle andere stoffen maken. Dit wordt voortgezette assimilatie genoemd.
De reactiesnelheid van de fotosynthese is van een aantal factoren afhankelijk: voldoende chlorofyl, CO2, H2O en licht.
Bij een bepaalde lichtintensiteit heeft verdere verhoging geen zin meer. Andere factoren (b.v. de CO2 concentratie) worden dan beperkend.
De meeste voedselketens beginnen met fotosynthese. Maar diep in de oceaan en in de grond is geen licht.
Levende cellen hebben energie nodig voor alle taken die ze moeten uitvoeren. Daarvoor benutten ze de chemische energie die in organische moleculen ligt opgeslagen. Ze gebruiken die chemisch gebonden energie om ATP te vormen. De ATP kan gebruikt worden om allerlei reacties aan te drijven.
Tijdens fotosynthese maken planten glucose uit koolstofdioxide en water met behulp van energie uit zonlicht. De glucose wordt gebruikt als energieleverancier en voor de synthese van allerlei koolhydraten, eiwitten, vetten en nucleïnezuren.
NAD+ is een coenzym dat bij veel reacties in cellen een rol speelt. Het kan waterstofatomen ontvangen van een substraat. (Het substraat wordt dan geoxideerd.) Een enzym (een dehydrogenase) haalt twee waterstofatomen weg van een substraat (bijvoorbeeld glucose). Het levert twee elektronen en één proton aan het coenzym NAD+. En dat wordt evrvolgens omgezet in NADH. Het andere proton komt vrij.
De citroenzuurcyclus is een cirkel van reacties die verloopt in de mitochondriën. De cyclus dankt zijn naam aan de eerste reactie: de vorming van citroenzuur uit acetyl-CoA en oxaalazijnzuur. 
Het is nog niet zo lang bekend dat er twee manieren zijn om ATP te maken.
Het resultaat van de dissimilatie tot nu toe is een klein beetje ATP (24 moleculen per afgebroken glucose) en een groot aantal NADH + H+ moleculen.
De vrijgekomen energie uit de elektronentransportketen wordt gebruikt om protonen van NADH+ + H+ en FADH2 naar de ruimte tussen de binnenmembraan en de buitenmembraan van de mitochondriën te transporteren.
Door de werking van de protonenpompen is de concentratie protonen tussen de twee membranen van het mitochondrium hoger dan binnenin het mitochondrium. Dit concentratieverschil vertegenwoordigt potentiële energie. Zodra de protonen de kans krijgen, zullen ze terugstromen totdat de concentratie aan beide zijden van het membraan weer gelijk is. Je kunt dit vergelijken met de potentiële energie van water achter een stuwdam, waarmee elektriciteit kan worden opgewekt.
Op veel plaatsen bevinden zich anaerobe bacteriën, die zonder zuurstof leven. Denk aan de bodem van een modderige sloot en ons darmstelsel.
Melkzuurgisting is de basis van de productie van bijvoorbeeld kaas, boter, karnemelk, yoghurt en zuurkool. De melkzuurbacteriën vormen zoveel melkzuur, dat de zuurgraad snel daalt beneden pH 5. Veel andere bacteriën kunnen bij deze pH niet leven, zodat een houdbaar product ontstaat.
