Stofwisseling en Stofuitwisseling

Verschil tussen Stofuitwisseling en Stofwisseling

• Stofuitwisseling betreft de uitwisseling van stoffen tussen cellen en hun omgeving
• Stofwisseling, of metabolisme, omvat alle chemische reacties in een organisme of cel waarbij stoffen worden omgezet in andere stoffen
• Geleide diffusie is een voorbeeld van stofuitwisseling
• Fotosynthese is een voorbeeld van stofwisseling

Energie en Soorten Stofwisselingsreacties

• Stofwisseling vereist energie, afhankelijk van hoe georganiseerd een organisme is
• Soorten energie zijn onder meer chemische, kinetische, warmte, licht (fotonen) en potentiële energie

Soorten Stofwisselingsreacties

• Anabole reacties vormen grotere biomoleculen uit kleinere moleculen; ze zijn endo-energetisch en staan bekend als anabolisme of opbouwstofwisseling
• Een voorbeeld hiervan is de vorming van maltose door een condensatiereactie, die lichtenergie gebruikt (fotosynthese)
• De reactievergelijking voor fotosynthese is 6 CO2 + 6 H2O + lichtenergie → C6H12O6 + 6 O2
• Katabole reacties breken grotere biomoleculen af in kleinere moleculen; ze zijn exo-energetisch en staan bekend als katabolisme of afbraakstofwisseling
• Een voorbeeld hiervan is de vertering van lactose met hydrolyse
• Celademhaling is katabool met als reactie C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP + energie

Energie in Cellen

• Endergonische processen vereisen energie
• ATP is de universele energieleverancier van de cel
• ATP wordt aangemaakt door oxidatie van energierijke koolstofverbindingen en door licht
• NADP, NAD en FAD zijn andere energiedragers; elektronen dragen energie

Celademhaling

• ATP is de primaire energieleverancier voor alle levensprocessen
• Celademhaling verzorgt de vorming van ATP door oxidatie van voedingsstoffen
• Aerobe ademhaling gebruikt O2, terwijl anaerobe ademhaling geen O2 gebruikt

Metabolisme

• Voedingsstoffen omvatten sachariden, lipiden en proteïnen
• Hydrolyse zet deze stoffen tijdens de spijsvertering om in bouwstoffen, die dan via het bloed naar de lichaamscellen worden getransporteerd
• Oxidatie vindt plaats in de mitochondriën, wat resulteert in de productie van ATP en warmte
• Celademhaling is een chemisch proces waarbij suikers, vetten en aminozuren stapsgewijs worden geoxideerd met behulp van enzymen om H2O, CO2, ATP en warmte te produceren
• Produkten van die processen worden uitgescheiden: CO2 en H2O door de longen, urine via de nieren

Oxidatie van Glucose

• De algemene reactievergelijking voor de oxidatie van glucose is C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energie
• Het proces omvat reagerende stoffen en eindproducten en gebeurt in tussenstappen met tussenproducten
• Oxidatie van glucose verloopt in vier fasen: glycolyse (cytosol), decarboxylering, de citroenzuurcyclus (mitochondria) en eindoxidaties (mitochondria)

Glycolyse

• De globale reactievergelijking voor glycolyse is C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ATP + 4ADP + 4Pi → 2 pyruvaat + 2NADH,H+ + 4 ATP + 2ADP + 2Pi + 2H2O, of vereenvoudigd tot C6H12O6 + 2 NAD+ + 2 ADP + 4Pi → 2 pyruvaat + 2NADH,H+ + 2 ATP + 2H2O
• Een glucose (C6) molecuul wordt omgezet in 2 pyruvaat (C3) moleculen

Decarboxylering en Citroenzuurcyclus

• Decarboxylering vormt acetyl co-enzym A, een voorbereidende reactie op de Krebscyclus
• Pyruvaat (C3) wordt omgezet in acetyl co-enzym A (C2), oftewel geactiveerd azijnzuur
• De opbrengst van dit proces is 1 NADH + H+ (x2) en de vorming van CO2 (x2)
• De Krebscyclus is een anaeroob proces

Eindoxidaties en Elektronen Transport Ketens

• Tijdens de eindoxidaties en elektronentransportketen is de opbrengst 2 ATP uit glycolyse, 6 ATP uit oxidatieve glycolyse en dan fosforylering, en uit decarboxylering en krebscyclus 24 ATP van 8NADH, 4 ATP van 2 FADH2 uit oxidatieve fosforylering
• De reacties omvatten
• C6H12O6 + 2 ADP + 2 Pi + 2 NAD+ ➝ 2 pyruvaat + 2 NADH + 2 H+ + 2 ATP + 2 H2O (glycolyse)
• 2 pyruvaat + 2 CoA + 2 NAD+ ➝ 2 ac-CoA + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO2 (decarboxylering)
• 2 ac-CoA + 6 H2O + 6 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 Pi ➝ 2 CoA + 6 NADH + 6 H+ + 2 FADH2 + 2 ATP + 4 CO2 (Krebs)
• 10 NADH + 10 H+ + 5 O2 + 23 (25) ADP + 23 (25) Pi ➝10 NAD+ + 10 H2O + 23 (25) ATP (ox. fosforylering)
• 2 FADH2 + O2 + 3 ADP + 3 Pi ➝ 2 FAD+ + 2 H2O + 3 ATP (ox. fosforylering)
• De globale reactie is C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O + 30 (32) ADP + 30 (32) Pi ➝6 CO2 + 36 (38) H2O 30 (32) ATP
• De netto reactie is C6H12O6 + 6 O2 ➝ 6 CO2 + 6 H2O + energie(als 38 ATP en warmte)
• De energie conversie in ATP is ± 30kJ. 38 = ± 1140 kJ
• De Fysiologische energiewaarde van 1 mol Glucose is 16kJ/g. 180g/mol = 2880 kJ/mol
• Het rendement is (nuttige energie in ATP) / (totale energie in glucose)
• Rendement = 1140 kJ / 2880 kJ = 0,396

Functie van Warmte en ATP

• Warmte is nuttig voor warmbloedige dieren om een constante temperatuur te behouden. Planten en koudbloedigen produceren ook warmte
• ATP verzorgt celarbeid zoals spiersamentrekking, biosynthese, actief transport, zenuwimpulsgeleiding en celdeling
• Energie in ATP kan worden omgezet in bioluminescentie (bijv. glimwormen) of elektriciteit (bijv. sidderalen, olifantsvissen)

Oxidatie van Vetten en Eiwitten

• Verschillende soorten voedsel (eiwitten, koolhydraten, vetten) worden geoxideerd voor energie.
• Koolhydraten ondergaan glycolyse.
• Beide, vetten en olien, worden omgezet tot glycerol en vetzuren.
• Glycerol en vetzuren, eiwitten, en gesukerde ingrediënten worden omgezet tot acetyl CoA, dat word verder behandeld door de citroenzuurcyclus en oxidatieve fosforylering.

Anaerobe Celademhaling

• Anaerobe celademhaling omvat melkzuurgisting in melkzuurbacteriën, melkzuurvorming in spiercellen en alcoholische gisting bij gistcellen

Melkzuurgisting

• Melkzuurbacteriën leven in de darmflora en vaginale flora en zetten suikers om in melkzuur. Ze worden industrieel gebruikt bij de bereiding van yoghurt
• De omzetting is C6H12O6 -> 2 lactaat (melkzuur) + 2 ATP + warmte

Alcoholische Gisting

• Bakkergist (Saccharomycetes cerevisae) is een gistcel die facultatief anaeroob is

Melkzuurvorming

• Tijdens intensieve inspanning ontstaat er een zuurstoftekort in de spieren
• Pyruvaat wordt omgezet in melkzuur omdat er geen citroenzuurcyclus plaatsvindt
• Melkzuur splitst zich in H+ + CH3-CHOH-COO-, wat leidt tot verzuring van de spieren

Alcoholische Gisting Vervolg

• De globale reactievergelijking is C6H12O6 → 2 CH3CH2OH (ethanol) + 2 CO2 + 2 ATP + warmte