Door Kevin Beck – Bijgewerkt op 24 maart 2022

Glucose, een suiker met zes koolstofatomen, is de universele brandstof die elke levende cel van energie voorziet. Of het nu begint als een biefstuk, een prooidier of plantaardig materiaal, het cellulaire metabolisme verandert glucose uiteindelijk in de energievaluta van het leven:adenosinetrifosfaat (ATP).

Wat is glucose?

Glucose is een hexose-monosacharide (C₆ H₁₂ O₆ , 180 g/mol). Het bevat één suikereenheid en de koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen hebben een verhouding van 1:2:1:een patroon dat door alle koolhydraten wordt gedeeld (CnH_2n Aan). Andere monosachariden zijn fructose, terwijl disachariden zoals sucrose, lactose en maltose twee monosachariden combineren.

Wat is ATP?

ATP is een nucleotide bestaande uit adenosine (adenine + ribose) gebonden aan drie fosfaatgroepen. Het wordt geproduceerd door adenosinedifosfaat (ADP) te fosforyleren. Wanneer de terminale fosfaatbinding van ATP wordt gehydrolyseerd, komen ADP en anorganisch fosfaat (Pi) vrij. Deze hoogenergetische binding maakt ATP tot de primaire energiedrager voor bijna alle cellulaire processen.

Cellulaire ademhaling

Cellulaire ademhaling is de reeks routes die glucose omzet in ATP, koolstofdioxide en water in aanwezigheid van zuurstof. De algemene stoichiometrie is:

C₆ H₁₂ O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂ O

Drie opeenvolgende fasen ondersteunen dit proces:

• Glycolyse – de cytoplasmatische afbraak van glucose in twee pyruvaatmoleculen, wat netto twee ATP en twee NADH oplevert.
• De Krebs-cyclus (TCA) – een mitochondriale matrixlus die acetyl-CoA oxideert tot CO₂ , waarbij één ATP, drie NADH en één FADH₂ worden gegenereerd per beurt.
• Elektronentransportketen (ETC) – gelegen op het binnenste mitochondriale membraan en gebruikt elektronen van NADH en FADH₂ om de meeste ATP te genereren via oxidatieve fosforylering.

Glycolyse is verplicht voor alle cellen; de Krebs-cyclus en ETC vereisen zuurstof en maken daarom deel uit van de aerobe ademhaling.

Vroege glycolyse

Glucose wordt eerst gefosforyleerd tot glucose-6-fosfaat (G6P), waardoor het wordt omgezet in metabolisme. Daaropvolgende herschikkingen en een tweede fosforylatie produceren fructose-1,6-bisfosfaat. Deze eerste stappen verbruiken twee ATP-moleculen, die later worden teruggewonnen.

Latere glycolyse

Fructose-1,6-bisfosfaat splitst zich in twee eenheden van drie koolstofatomen, waardoor uiteindelijk twee moleculen glyceraldehyde-3-fosfaat (G3P) ontstaan. Elke G3P ondergaat oxidatie om NADH te produceren en wordt vervolgens omgezet in pyruvaat, waarbij twee ATP per G3P wordt gegenereerd. Omdat uit elke glucose twee G3P voortkomen, levert de latere fase vier ATP en twee NADH op, wat een netto winst oplevert van twee ATP en twee NADH voor de gehele glycolytische route.

De Krebs-cyclus

Pyruvaat komt het mitochondrion binnen en wordt omgezet in acetyl-CoA, waarbij één CO₂ vrijkomt en het genereren van één NADH. Twee acetyl-CoA-moleculen per glucose worden aan de achtstaps Krebs-cyclus toegevoegd, die één ATP, drie NADH en één FADH produceert₂ per beurt. Per glucose draagt de cyclus dus twee ATP, zes NADH en twee FADH bij₂ .

De elektronentransportketen

Elektronendragers die in eerdere stadia zijn geproduceerd, transporteren elektronen naar de ETC, waardoor een protongradiënt over het binnenste mitochondriale membraan ontstaat. Oxidatieve fosforylering gebruikt deze gradiënt om ADP te fosforyleren, waardoor ATP ontstaat. Elke NADH levert ongeveer drie ATP op, en elke FADH₂ levert ongeveer twee ATP op. Met tien NADH en twee FADH₂ per glucose genereert de ETC 34 ATP, wat, in combinatie met de 4 eerder geproduceerde ATP, in totaal 38 ATP per glucosemolecuul in eukaryotische cellen oplevert.

Het begrijpen van deze routes laat zien hoe elke levende cel glucose gebruikt om de talloze functies van het leven te ondersteunen.