Celademhaling

Deel van een serie artikelen over Biochemie
Ruimtelijke structuur van een enzym –– Biomoleculen –– Eiwit · Koolhydraat · Biopolymeer · Natuurproduct · Nucleïnezuur · Metaboliet · Vet · Vitamine –– Stofwisseling –– Anabolisme · Celademhaling · Eiwitsynthese · Katalyse · Fotosynthese · Katabolisme –– Verwante onderwerpen –– Bio-informatica · Enzymologie · Moleculaire biologie · Structuurbiologie
Portaal Bio·Chemie

Celademhaling of dissimilatie is het geheel aan processen waarbij in een cel ATP wordt gegenereerd door de "verbranding" van voedingsstoffen. De celademhaling bestaat globaal uit de glycolyse, de citroenzuurcyclus, de geleidelijke oxidatie van koolstofverbindingen, gevolgd door oxidatieve fosforylering. Bij deze stappen wordt zuurstof (O₂) gebruikt en kooldioxide uitgescheiden. De celademhaling vindt plaats in een reeks biochemische stappen, waarvan de meeste redoxreacties zijn. De verkregen energie kan gebruikt worden voor de diverse levensprocessen die het organisme nodig heeft om in leven te blijven.

Aan de gaswisseling tussen organismen en hun omgeving ligt de biologische oxidatie ('verbranding') van voedingsstoffen in alle lichaamscellen ten grondslag. Die oxidatie noemt men celademhaling of aerobe dissimilatie. Planten en bepaalde micro-organismen kunnen, in tegenstelling tot dieren, in hun cellen zowel dissimileren (verbranden) als assimileren (brandstof aanleggen). Bij deze organismen wordt ATP gevormd door energie uit licht (fotosynthese) of uit chemische reacties (chemosynthese). Zij zijn dus niet afhankelijk van andere organismen voor hun bestaan.

In planten en dieren dient glucose als de voornaamste brandstof, maar ook andere biologische kleine moleculen kunnen in de cel worden gedissimileerd. Grote moleculen als zetmeel, eiwit, en vetten worden via hydrolyse eerst omgezet in respectievelijk glucose, aminozuren, en vetzuren; deze kunnen dan rechtstreeks verbrand worden.

Aerobe dissimilatie

Alle organismen gebruiken organische stoffen als energievoorraad en brandstof, verkregen uit assimilatie. Bij de celademhaling komt die energie weer beschikbaar (dissimilatie). De belangrijkste vorm van dissimilatie is de reactie van glucose met zuurstof. Dit is een redoxreactie: glucose geeft zijn elektronen af (oxidatie) en zuurstof neemt elektronen op (reductie). De biologische oxidatie van glucose gebeurt bij dieren en planten in drie fasen. Elke fase doorloopt verschillende metabole stappen, die elk gekatalyseerd worden door gespecificeerde enzymen.

De drie fasen zijn:

1. Glycolyse: de fase waar geen zuurstof voor is vereist, verloopt in het cytoplasma van de cel. Daarbij wordt een molecuul glucose dat 6 C-atomen bevat stapsgewijs gesplitst in 2 moleculen met 3 C-atomen (pyrodruivenzuur). Per glucosemolecuul levert dit netto 2 ATP op. Deze nieuw gevormde moleculen met 3 C-atomen worden opgenomen in organellen, de mitochondriën, waarin de volgende 2 fasen plaatsvinden: de eigenlijke celademhaling. De gevormde energie (ATP) gebruikt de cel voor groei, herstel en transport.
2. Citroenzuurcyclus of krebscyclus: het tijdens de glycolyse gevormd pyrodruivenzuur wordt tijdens de citroenzuurcyclus stapsgewijs verder afgebroken tot 3 moleculen CO₂. Daarbij worden 4 moleculen H₂O (water) in de cyclus betrokken en 2 moleculen gevormd.
3. Oxidatieve fosforylering (ook wel eindoxidaties of terminale oxidaties genoemd): tijdens de stapsgewijze afbraak van glucose tot CO₂ in de glycolyse en de krebscyclus werden 24 H-atomen vrijgemaakt. Via tussenkomst van een reeks elektronen-carriers worden die 24 H-atomen aan 6 O₂-moleculen gebonden, waardoor 12 moleculen water (H₂O) ontstaan. Bij elke overdracht van een H-paar komt voldoende energie vrij voor de vorming van 3 ATP-moleculen.

Algemeen overzicht

De biologische oxidatie van glucose kan als volgt worden voorgesteld:

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2 -> 6 CO2 + 12 H2O}}}$

De vrijkomende energie wordt gebruikt om ATP te maken uit onder meer ADP.

De reacties van de glycolyse vinden plaats in het cytoplasma rond de mitochondriën. De citroenzuurcyclus gebeurt in de matrix en de enzymen die betrokken zijn bij de overdracht van waterstof op zuurstof (terminale oxidatie) zijn gelokaliseerd op het binnenmembraan, namelijk de cristae.

Anaerobe dissimilatie

Zie hoofdartikel: Anaerobe dissimilatie

In omstandigheden waar onvoldoende zuurstof beschikbaar is, vindt de anaerobe dissimilatie plaats. Het pyrodruivenzuur kan niet gemetaboliseerd worden in het mitochondrium, en ondergaat dan andere processen, waarbij weinig ATP wordt vrijgemaakt. Gisten (eencellige schimmels) en melkzuurbacteriën verkrijgen onder anaerobe omstandigheden hun energie door alcoholische gisting en melkzuurgisting.

Zie ook

• Adenosinetrifosfaat
• Nicotinamide-adenine-dinucleotide