Biologie I
Stel je eens voor dat je een cel bent. Je hebt zojuist een grote, sappige glucosemolecule gekregen, en je zou graag wat van de energie in deze glucosemolecule willen omzetten in een bruikbaardere vorm, een die je kunt gebruiken om je metabolische reacties aan te drijven. Hoe kun je dit aanpakken? Wat is de beste manier voor je om zoveel mogelijk energie uit dat glucosemolecuul te persen, en om deze energie in een handige vorm vast te leggen?
Gelukkig voor ons zijn onze cellen – en die van andere levende organismen – uitstekend in staat om energie te oogsten uit glucose en andere organische moleculen, zoals vetten en aminozuren). Hier zullen we kijken naar de elektronenoverdrachtsreacties (redoxreacties) die de sleutel tot dit proces vormen.
Redoxreacties
Cellulaire ademhaling omvat vele reacties waarbij elektronen van het ene molecuul naar het andere worden doorgegeven. Reacties waarbij elektronen worden overgedragen, staan bekend als oxidatiereductiereacties (of redoxreacties), en zij spelen een centrale rol in het metabolisme van een cel. In een redoxreactie verliest een van de reagerende moleculen elektronen en wordt gezegd dat het geoxideerd is, terwijl een ander reagerend molecuul elektronen krijgt (de elektronen die het eerste molecuul verloren heeft) en wordt gezegd dat het gereduceerd is. Je kunt onthouden wat oxidatie en reductie betekenen met het handige geheugensteuntje “OIL RIG: Oxidation Is Losing electrons; Reduction Is Gaining electrons.
Energy in Redox Reactions
Klik op de afbeelding voor een grotere weergave. Afbeelding gebaseerd op soortgelijk diagram van Ryan Gutierrez.
In redoxreacties komt energie vrij wanneer een elektron potentiële energie verliest als gevolg van de overdracht. Elektronen hebben meer potentiële energie wanneer zij worden geassocieerd met minder elektronegatieve atomen (zoals C of H), en minder potentiële energie wanneer zij worden geassocieerd met een meer elektronegatief atoom (zoals O). Een redoxreactie waarbij elektronen of elektronendichtheid van een minder naar een meer elektronegatief atoom worden verplaatst, zal dus spontaan verlopen en energie vrijmaken. Bij de verbranding van butaan (C4H10) komt bijvoorbeeld energie vrij omdat er een netto-verschuiving van elektronendichtheid plaatsvindt van koolstof en waterstof naar zuurstof. Als je hebt horen zeggen dat moleculen zoals glucose “hoogenergetische” elektronen hebben, dan is dat een verwijzing naar de relatief hoge potentiële energie van de elektronen in hun bindingen
Er kan nogal wat energie vrijkomen als elektronen in bindingen
naar zuurstof worden verschoven. In een cel is het echter geen goed idee om al die energie in één keer vrij te maken in een verbrandingsreactie. In plaats daarvan oogsten cellen op een gecontroleerde manier energie uit glucose, waarbij zoveel mogelijk energie wordt vastgelegd in de vorm van ATP. Dit wordt bereikt door glucose te oxideren op een geleidelijke, in plaats van een explosieve, manier. Er zijn twee belangrijke manieren waarop deze oxidatie geleidelijk verloopt:
- In plaats van alle elektronen tegelijk van glucose af te trekken, verwijdert de cellulaire ademhaling ze in paren. De redoxreacties die elektronenparen aan glucose onttrekken, dragen deze over aan kleine moleculen die elektronendragers worden genoemd.
- De elektronendragers zetten hun elektronen af in de elektronentransportketen, een reeks eiwitten en organische moleculen in het binnenste mitochondriale membraan. Elektronen worden doorgegeven van de ene component naar de volgende in een reeks energie-afgevende stappen, waardoor energie kan worden vastgelegd in de vorm van een elektrochemische gradiënt.
We zullen hieronder zowel redox-dragers als de elektronentransportketen in meer detail bekijken.
Het verwijderen van een elektron uit een molecuul, het oxideren ervan, resulteert in een afname van de potentiële energie in de geoxideerde verbinding. Het elektron (soms als deel van een waterstofatoom), blijft echter niet ongebonden, in het cytoplasma van een cel. Integendeel, het elektron wordt verschoven naar een tweede verbinding, waardoor de tweede verbinding wordt gereduceerd. De verschuiving van een elektron van de ene verbinding naar de andere onttrekt enige potentiële energie aan de eerste verbinding (de geoxideerde verbinding) en verhoogt de potentiële energie van de tweede verbinding (de gereduceerde verbinding). De overdracht van elektronen tussen moleculen is belangrijk omdat de meeste energie die in atomen is opgeslagen en voor brandstofcelfuncties wordt gebruikt, de vorm heeft van hoogenergetische elektronen. De overdracht van energie in de vorm van elektronen stelt de cel in staat energie over te dragen en te gebruiken op een stapsgewijze manier – in kleine pakketjes in plaats van in een enkele, destructieve uitbarsting. Dit hoofdstuk richt zich op de extractie van energie uit voedsel; u zult zien dat als u het pad van de overdrachten volgt, u het pad volgt van elektronen die door metabolische routes bewegen.
Elektronendragers
Elektronendragers, soms elektronenshuttles genoemd, zijn kleine organische moleculen die gemakkelijk tussen geoxideerde en gereduceerde vormen heen en weer gaan en worden gebruikt om elektronen te transporteren tijdens metabole reacties. Er zijn twee elektronendragers die een bijzonder belangrijke rol spelen bij de celademhaling: NAD+ (nicotinamide adenine dinucleotide, zie hieronder) en FAD (flavin adenine dinucleotide). Zowel NAD+ als FAD kunnen dienen als oxidatiemiddel, waarbij zij een elektronenpaar accepteren, samen met een of meer protonen, om over te schakelen naar hun gereduceerde vorm. NAD+ begin superscript, plus, eind superscript accepteert twee elektronen en één H+ om NADH te worden, terwijl FAD twee elektronen en twee H+ accepteert om FADH2 te worden. NAD+ is de primaire elektronendrager die tijdens de celademhaling wordt gebruikt, waarbij FAD slechts aan één (of soms twee) reacties deelneemt.
De geoxideerde vorm van de elektronendrager (NAD+) is links afgebeeld en de gereduceerde vorm (NADH) is rechts afgebeeld. De stikstofhoudende basis in NADH heeft één waterstofion meer en twee elektronen meer dan in NAD+.
Zoals te zien is in de afbeelding hierboven, is NAD+ een klein organisch molecuul waarvan de structuur het RNA-nucleotide adenine omvat. (FAD is een soortgelijk type molecuul, hoewel de functionele groepen verschillend zijn). Beide moleculen zijn derivaten van B-vitaminen, waarbij NAD+ wordt geproduceerd uit niacine en FAD uit riboflavine. NAD+ en FAD zijn co-enzymen, organische moleculen die dienen als helpers tijdens enzym-gekatalyseerde reacties, en zij ontvangen elektronen en protonen als onderdeel van deze reacties. Zowel NAD+ begin superscript, plus, eind superscript als FAD dienen als cofactoren voor enzymen die dehydrogenases worden genoemd, die een of meer waterstofatomen uit hun substraten verwijderen.
Overzicht van brandstofafbraakroutes
De reacties waarmee energie kan worden onttrokken aan moleculen zoals glucose, vetten en aminozuren worden katabole reacties genoemd, wat betekent dat ze inhouden dat een groter molecuul in kleinere stukken wordt afgebroken. Wanneer bijvoorbeeld glucose in aanwezigheid van zuurstof wordt afgebroken, wordt het omgezet in zes kooldioxidemoleculen en zes watermoleculen. De totale reactie voor dit proces kan worden geschreven als:
C6H12O6 + O2= 6CO2 + 6H20 + warmte + ATP
Deze reactie, zoals geschreven, is gewoon een verbrandingsreactie, vergelijkbaar met wat er gebeurt wanneer je een stuk hout in een open haard verbrandt of benzine in een motor. Betekent dit dat er voortdurend glucose verbrandt in je cellen? Gelukkig niet helemaal! De verbrandingsreactie beschrijft het algemene proces dat plaatsvindt, maar binnenin een cel wordt dit proces opgesplitst in vele kleinere stappen. De energie in de bindingen van glucose wordt vrijgemaakt tijdens de reacties van de glycolyse en de citroenzuurcyclus (Krebs) Dus elektronenparen worden verwijderd uit het glucosemolecuul (oxidatie) en worden toegevoegd aan ofwel NAD of FAD (reductie) om te worden gebruikt in de volgende reactie die hieronder wordt beschreven.
De Elektronentransportketen
In hun gereduceerde vormen dragen NADH en FADH2 elektronen naar de elektronentransportketen in het binnenste mitochondriale membraan. Zij geven hun elektronen af aan het begin of in de buurt van het begin van de transportketen, en de elektronen worden dan doorgegeven van het ene eiwit of organische molecuul naar het volgende in een voorspelbare reeks stappen. Belangrijk is dat de beweging van elektronen door de transportketen energetisch “bergafwaarts” verloopt, zodat bij elke stap energie vrijkomt. In redox-termen betekent dit dat elk lid van de elektronentransportketen elektronegatiever (hongeriger naar elektronen) is dan het lid ervoor en minder elektronegatief dan het lid erna. NAD+, dat zijn elektronen aan het begin van de keten afstaat als NADH, is het minst elektronegatief, terwijl zuurstof, dat de elektronen aan het eind van de keten ontvangt (samen met H+) om water te vormen, het meest elektronegatief is. Terwijl de elektronen “naar beneden” door de transportketen sijpelen, geven zij energie af, en een deel van deze energie wordt opgevangen in de vorm van een elektrochemische gradiënt en gebruikt om ATP te maken. Een groot deel van de energie van glucose gaat echter nog steeds verloren als warmte,
We kunnen dit bevestigen als we kijken naar de werkelijke elektronenverschuivingen die hierbij betrokken zijn, zoals in de video hieronder: