Aerobe vs Anaerobe Celademhaling

Aerobe en Anaerobe Celademhaling

• Alle organismen hebben energie nodig om te overleven.
• Autotrofe en heterotrofe organismen maken energie aan via celademhaling door energierijke organische moleculen te oxideren.
• Aerobe en anaerobe celademhaling verschillen in zuurstofgebruik.
• De meeste organismen gebruiken aerobe celademhaling vanwege het hogere rendement.

Heterotrofe Organismen en Energie

• Autotrofen gebruiken CO₂ als bron van koolstof, heterotrofen gebruiken organische verbindingen uit voeding.
• Fotoheterotrofen gebruiken zonlicht om organische verbindingen om te zetten in lichaamseigen moleculen.
• Een voorbeeld is de zeeslak (Elysia chlorotica) die via endosymbiose chloroplasten uit groenwieren opneemt (kleptoplastie) en zo fotosyntheseert en stralingsenergie benut.
• Chemoheterotrofen genereren energie via oxidatie van energierijke koolstofverbindingen (celademhaling).
• Voornaamste koolstofverbindingen zijn sachariden, maar het kunnen ook lipiden, proteïnen of alcoholen zijn.
• De geproduceerde energie wordt gebruikt voor metabolisme, beweging, herstel, warmte en voortplanting.

Afbraak van Biomoleculen

• De meeste biomoleculen uit voeding worden in eerste instantie gebruikt om lichaamseigen macromoleculen op te bouwen.
• Vitaminen en mineralen zijn beschermstoffen, proteïnen en bepaalde lipiden zijn bouwstoffen.
• Brandstoffen (triglyceriden en sachariden) worden als reservestoffen opgeslagen in de vorm van lipiden (vetcel), glycogeen (spieren en lever).
• De afbraak van brandstoffen en bouwstoffen verloopt in een reeks van exo-energetische reacties, elk gefaciliteerd door een specifiek enzym.
• Energie die stapsgewijs vrijkomt wordt deels gerecupereerd in de vorm van energierijke moleculen (o.a. ATP).
• De omzettingsreacties zijn niet 100% energie-efficiënt, waardoor een deel van de energie als warmte verloren gaat.
• De vrijgekomen energie verschilt per gram biomolecule: lipiden en alcoholen leveren meer energie dan sachariden of proteïnen.

Celademhaling in Detail

• Celademhaling is het proces waarbij organismen energie halen uit de oxidatie van energierijke koolstofverbindingen.
• Zowel autotrofen als heterotrofen doen aan celademhaling.
• Het verloop hangt af van zuurstofgas: aerobe (met zuurstofgas) vs. anaerobe celademhaling (zonder zuurstofgas).
• Sommige organismen kunnen wisselen tussen de twee vormen, afhankelijk van de omstandigheden.
• De cel gebruikt glucose in eerste plaats als bron van energie.
• De totaalreactie bij aerobe celademhaling is de verbranding van glucose tot koolstofdioxide en water: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O.
• De totaalreactie bij anaerobe celademhaling hangt af van het soort gisting: alcoholische gisting (glucose tot ethanol en koolstofdioxide: C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂) en lactaatgisting (glucose tot lactaat: C₆H₁₂O₆ → 2C₃H₆O₃).
• Bij prokaryoten vindt celademhaling (aeroob en anaeroob) plaats in het cytosol; bij eukaryoten alleen de anaerobe celademhaling.
• De aerobe celademhaling gebeurt in gespecialiseerde celorganellen: mitochondriën.
• Mitochondriën zijn buisvormige organellen met een dubbele fosfolipide dubbellaag (sterk gelijkend op chloroplasten):
• Het buitenste membraan is goed doorlaatbaar en schermt af van het cytosol.
• Het binnenste membraan is minder doorlaatbaar, vertoont sterke plooien (cristae) die instulpen naar de matrix.
• Intermembraanruimte is de ruimte tussen de membranen.
• Het binnenste membraan, de matrix en de intermembraanruimte spelen een sleutelrol in de oxidatie van glucose en de productie van ATP.
• Veel mitochondriën zijn te vinden in cellen met een grote energiebehoefte (bv. spiercellen of spermacellen).
• Mitochondriën in de lever bevatten enzymen die ammoniak (afvalproduct eiwitstofwisseling) omzetten in minder toxische producten.
• De energieproductie gebeurt niet altijd op dezelfde plaats als de energieconsumptie, dus is er nood aan een transportsysteem.
• De energie wordt opgeslagen in energiedragende moleculen ATP (adenosinetrifosfaat), GTP (guaninetrifosfaat), NADH en FADH2.
• ATP is de universele energiedrager; GTP wordt omgezet in ATP zonder veel energieverlies.

Oxidatiereacties en Energiedragers

• Bij oxidatiereacties verbreken chemische bindingen, waardoor energie, protonen en elektronen vrijkomen.
• De cel heeft een manier nodig om deze deeltjes te transporteren voor de energieproductie in de mitochondriën. De koolstofverbinding staat elektronen af aan een elektronenacceptor (oxidator), die wordt gereduceerd en ook protonen opvangt.
• Belangrijke elektron- en protondragende moleculen zijn nicotinamide adenine dinucleotide (NADH) en flavine adenine dinucleotide (FADH2).
• NADH lijkt qua bouw en werking sterk op NADPH, maar heeft geen fosfaatgroep.
• Bij afbraakreacties nemen zowel NAD+ als FAD twee elektronen en twee waterstofionen op, zodat er tijdens een reductiereactie respectievelijk NADH + H+ en FADH₂ ontstaan.

Aerobe Celademhaling: Fasen

• Als er voldoende zuurstofgas aanwezig is, verloopt celademhaling op een aerobe manier.
• De aerobe celademhaling bestaat uit vier belangrijke fasen die op verschillende plaatsen in de cel plaatsvinden:
• De glycolyse vindt plaats in het cytosol en is zuurstofonafhankelijk.
• De decarboxylatie begint in het cytosol en eindigt in de matrix van de mitochondriën en is zuurstofafhankelijk.
• De krebscyclus vindt plaats in de matrix van de mitochondriën en is zuurstofafhankelijk.
• De eindoxidaties vindt plaats op het binnenste membraan van de mitochondriën en is zuurstofafhankelijk.

Glycolyse

• De glycolyse is de eerste fase van de aerobe celademhaling en regelt de energiebehoefte van de cel.
• De verhouding ATP/ADP beïnvloedt de activatie en deactivatie.
• Energie nood versnelt het proces en ATP productie.
• Voldoende ATP voorraad remt het glycolyseproces en daalt de energieproductie.
• De glycolyse verbruikt geen zuurstofgas en is dus zuurstofonafhankelijk.
• De glycolyse start in het cytosol waar glucose gebonden wordt aan twee fosfaatgroepen, die via de hydrolyse van 2 ATP ADP vrijkomen.
• Hierdoor ontstaat een instabiel tussenproduct die afbreekt in twee gelijke moleculen met drie koolstoffen, glyceraldehyde-3-fosfaat.
• Glyceraldehyde-3-fosfaat zet via een aantal tussenstappen om in pyruvaat.
• Tijdens dit proces vormen zich twee moleculen NADH.
• Bij deze omzettingen komen er twee fosfaatgroepen vrij die ATP produceren.

Glycolyse reactie

• Bij de omvorming van glucose tot 2 moleculen pyruvaat vinden er oxidatiereacties plaats.
• Een deel van de vrijgekomen energie wordt opgevangen in reductie van NAD+ zo NADH + H+.
• Per molecule NAD+ worden twee energierijke elektronen en twee protonen gebonden.
• Bij elke glycolyse worden er twee moleculen NADH gevormd.
• Een glucosemolecuul vormt 2 moleculen glyceraldehyde-3-fosfaat.
• Bij de omzetting van 2 moleculen in 2 pyruvaat worden 4 moleculen ATP geproduceerd.
• Rekening houdend met verbruik van 2 ATP levert het een nettowinst van 2ATP per glucosemolecuul.
• De energierijke NADH moleculen verplaatsen zich naar matrix waar ze een functie hebben bij eindoxidaties.

Decarboxylatie in Detail

• De decarboxylatie is de tweede fase van celademhaling en start met transport pyruvaat matrix mitochondria.
• Pyruvaat zet om in acetylgroep met 2 C-atomen en bindt op een co-enzym A zo vormt acetyl co-enzym A
• Hierbij splitst 1 C-atoom af in de vorm van 1 molecule CO₂.
• De energierijke elektronen komen terecht bij de reductie molecule NAD+
• Per glucose molecuul zullen 2 NADH per glucose ontstaan.
• Decarboxylatie is een zuurstofafhankelijk proces hoewel het zelf geen zuurstofgas verbruikt.
• Het doel decarboxylatie en volgende krebscyclus is aanmaken reagentia voor de eindoxidaties.
• De reagentia kan en niet afgemakt want zuurstofgas essentieel eindoxidaties.
• Wordt beschouwd als aëroob

Decarboxylatie reactie

• De bouw van co-enzym A (coA) vertoont veel gelijkenissen met de bouw van ATP.
• De acetylgroep wordt op het einde van de 5' groep van de molecule co-enzym A gebonden.
• De totaalreactie van de decarboxylatie per molecule glucose is:
• 2 pyruvaat + 2 coA → 2 acetyl-coA + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO₂
• De winst per molecule glucose is:
• 2 NADH / H+ (+ vorming van 2 CO₂)

Krebscyclus

• KrebsCyclus is vernoemd naar Duitse Hans Adolf Krebs.
• De cyclus vindt plaats in de matrix van de mitrochondriën.
• De cyclus start bij Acteylk een Acteylgroep die bindt molecule oxaloacetaat. Citraat wordt in tussenstappen terug enzymatisch omgezet,waarna op een volgende cyclus nieuw Acteyl kan binden.
• Bij deze omzettingen spitsen 2 C-atomen af in moleculen 2 CO2 de Vrijgekomen energie wordt opgeslagen in moleculen 3NADH 2 FADH2 en 1 molecuul GTP. -Molecuul GTP wordt omgezet in een molecuul ATP.
• Koolstotstoffen worden afgestaan in de Vorm van CO2. Er werden 2 moleculen CO2 gevormd tijdens de decarboxylatie en 4 molecullen CO2 tijdens die cyclus Groote deel van de vrijgekomen.Energie zit in de gevormen energie dragende moleculen: NADH, FADH2. de geproduceerdeMoleculen.

Reacties

• Per glucosemolecule vormen, er zich in de glycolyse en de decarboxylatie 2 moleculen acetyl-co-enzym A Bij de totale energieopbrengst moeten, we dus verdubbelen. daarnaast worden er ook 3 watermoleculen verbruikt per molecuue

Eindoxidaties in detail

• De eindoxidaties zijn laatste en belangrijkste fases van de aerobe celadaming, ze vinden plaats op het inwendigmembraan van de mitocondriën. De originele molecule glucose is in vorige fasen volledig afgebroken to 6 molecuulen CO2 De in totaal in totale vier vormode ATP is. Het meeste zit nog in NADH en FADH2 de Vorm van gebomden hoge energie deeltjes en proteinen
• In totaal werden de NADH is de gemaakt wordt bij 2 bij decarboxylatie en 6 bij Krebicyclus: en alleen2 FADH wordt gebruikt.
• 12 bij H2O een 53 is. glycolyse decarboxylatie Krecscyclus en eindoxidaties en eenie

Totaalk reactie

Er worden er vier gevorm ATP 2 bij glycolyse en 3 in die cyclus: de energetischer en is de gestand

Eindoxidatiereactie

• Eindoxidaties starten met elektronen-transportketen, systeem elektronen carriers en membraamverankerde protonenpompen. In oxidaties zetten NADH en FADH₂ de gebonden hoog energetische elektronen en protonen terug vrij.
• NADH doet dat ter hoogte van 1 protonpomp. Uit energuie elektronen pompen protonen naar intermebraamruimte zo onstaat Er is een gradiënt over het binnenste membraam.
• De elektronen worden gelijdvia elektronencarrier die bij nog meer protonen verpompt. Ook moleculne. -FADH2 wordt door de protonmpen zalOok geoxideerd worden en daar weer elektronen uitkomen
• Nu energiearme elektronen worden.Opgevangen de en met zuurstof enzo ontstaat water. de H+ gradiient.
• Door zuurstof worden elektronen. Weggevoerd en zo ka energie zonder onderbreken worden gepduceeerd.

ATP-Synthase en Eindoxidaties

• ATP synthase helpt protongradient voor prouctie uit ADP en P. Dat is en is alleen mogelijk met zuurstpf,
• Alternattisfe nam voor eind oxidaties : de oxifdative fosofylaties.
• Proces lijkt heel erg p licht reacties by fotosynthseie
• ATo synthase is in binnenste membraan, Gebruikt voor opzgebouwde proton gradiient voor
• De concentratie is groot cristoe en klein in de matrix.

###Reacties

• Protonen zullen passief naar de matrix verplaatsen. ATP zal de protonen geleiden 3 protoennen nodig voor 1 ATP Gemiddld wordt per glucose 28 moleculene

###Aanpassing in de aerobe celademhaling in het menselijk bloed. CO.

• en 30 verschillen in wateroplosbaarheid. De lost relatief gematkeljik op
• Het transtport van zuirstoffgas de transport gebeurt door rode bloestofhaampues. of en trysocyten zee bevat hemagobien

###Transport van zuurstofgas

• Hengoblieve molecule vertoont in.
• Oxidationstreactie van 02binden.
• Door de binding daalt de pH van 7.4naar 7.2 Hemoglomine treedt duos niet enkel op 1
• De verandering is sterk de binding 5 zal ook gaan verandering en is afh van pH

Verder

In. Zijn al zijn koolstoffenheeft g afgestaan in Vorm co is de moleculen FADH en de produceeerde molcculinen ap Deel Van de energie gaat verloren warmhte.