3. VERBRANDING - Stichting ITON

3. VERBRANDING
Indeling
Roze vlak: cytoplasma, waarin zich de glycolyse afspeelt.
Grijze vlak: mitochondrie. Via de mitochondriemembraan kan het pyrodruivenzuur (eindprodukt van de glycolyse) het binnenste
van de mitochondriën bereiken om daar via de Krebscyclus en ademhalingsketen verder te worden afgebroken.
In het witte vlak rechts is de opbrengst van waterstofatomen en ATP aangegeven. De hiervoor relevante lijnen zijn in het schema in
rood aangegeven.
Algemeen
In schema 2 kwam een van de belangrijkste anabole processen aan de orde. Daar werd reeds vermeld dat deze opbouwende
processen energie vereisen. Alle in het lichaam benodigde energie is afkomstig van het ATP (adenosinetrifosfaat). In dit molecuul
zijn twee fosfaatgroepen via een zogenaamde energierijke binding aan het adenosine gekoppeld. Bij het verbreken van deze
verbindingen komt de hierin aanwezige energie vrij en kan worden gebruikt voor allerlei processen (bijvoorbeeld synthese van
eiwitten, van DNA, spiercontractie etc.). Meestal wordt alleen de laatste fosfaatgroep van het ATP losgekoppeld zodat ADP
ontstaat. Resynthese van ATP kan plaatsvinden doordat de fosfaatgroep van het creatinefosfaat, waarvan een voorraadje in iedere
cel aanwezig is, wordt verplaatst naar het ADP zodat weer ATP ontstaat. De voorraad creatinefosfaat is echter beperkt (zie 71).
Voor het op peil houden van de energierijke bindingen in het ATP en creatinefosfaat is het daarom noodzakelijk dat voortdurend
katabole processen plaatsvinden. Hierbij worden voedingsstoffen (koolhydraten, eiwitten en vetten) stapsgewijs afgebroken
waarbij de energie in het molecuul wordt omgezet in energierijke fosfaatbindingen in het ATP. Men spreekt van verbranding van
voedingsstoffen. Onder invloed van verbrandingsprocessen wordt dus fosfaat gekoppeld aan ADP tot ATP.
Op het schema is slechts de verbranding van koolhydraten aangegeven. In de citroenzuurcyclus (Krebscyclus) kunnen echter
vetzuren en aminozuren op analoge wijze worden afgebroken.
Zowel in glycolyse, Krebscyclus als ademhalingsketen betreft het zeer vele reacties waarbij ook zeer veel enzymen noodzakelijk
zijn. Om didactische redenen zijn slechts de hoofdwegen aangegeven.
Glycolyse
In het cytoplasma kan glucose (afkomstig uit het bloed) via een achttal chemische stappen worden afgebroken tot 2 moleculen
pyrodruivenzuur
(pyruvaat): het glucosemolecuul wordt hierbij als het ware ‘door midden gehakt’. Op het schema is te zien dat deze reacties 2
moleculen ATP verbruiken en 4 moleculen ATP leveren, een netto winst dus van 2 ATP.
Wanneer geen zuurstof aanwezig is worden de vier bij deze reacties vrijgekomen H-atomen gebruikt voor de omzetting van
pyrodruivenzuur in melkzuur (is wel zuurstof aanwezig dan kunnen deze H-atomen via de ademhalingsketen bijdragen tot een
extra-ATP-opbrengst; zie rode onderbroken lijn).
In veel cellen bevindt zich een voorraad glycogeen. Dit bestaat uit lange vertakte ketens van aaneengeregen glucosemoleculen. Via
omzeiling van een aantal reacties kan afbraak van glycogeen via de glycolyse met een netto opbrengst van 3 ATP-moleculen per
glucose-eenheid gepaard gaan; dit is in het schema niet aangegeven.
Wanneer geen zuurstof aanwezig is spreekt men van anaërobe verbranding. Het energie-rendement hiervan is relatief laag (3 ATP
voor glycogeen, 2 ATP voor glucose). Bovendien ontstaat melkzuur dat een verhoging van de intracellulaire zuurgraad tot gevolg
heeft (de zgn. ‘verzuring’ in de sport). Deze mogelijkheid van energielevering is daarom begrensd en komt pas op gang na enkele
tientallen seconden spierarbeid (zie 71). Wanneer een arbeid dermate hoog is dat via de circulatie onvoldoende zuurstof kan
worden aangevoerd treedt daarom altijd na zekere tijd uitputting op. Wanneer vernauwingen in arteriën bestaan (bijvoorbeeld
arteriosclerose) kan zelfs een gemiddelde inspanning zoals lopen niet volgehouden worden (bijvoorbeeld claudicatio intermittens
bij een vernauwing van de A. Femoralis).
Krebscyclus (citroenzuurcyclus) en ademhalingsketen
Is de inspanning niet te hoog dan kan via de circulatie voldoende zuurstof naar de cellen worden aangevoerd (steady state arbeid,
zie 71). In dit geval wordt het pyrodruivenzuur niet omgezet in melkzuur maar bindt zich, onder afsplitsing van een CO2-molecuul,
aan coënzym-A tot acetylcoënzym-A (niet aangegeven). Het acetaat, bestaande uit twee C-atomen, wordt nu in de mitochondriën
gekoppeld aan het oxaalacetaat (oxaalazijnzuur) tot citraat (citroenzuur). Eén koolstofeenheid is in het schema weergegeven door
een rood rechthoekje. Na deze reacties zijn van de drie in het pyrodruivenzuur aanwezige koolstofatomen nog twee aanwezig. Bij
de reacties die tot de vorming van citraat leiden ontstaan 4 H-atomen die weer via de ademhalingsketen ATP kunnen leveren. Het
proces van afsplitsing van CO2 herhaalt zich nog twee keer totdat het oorspronkelijke oxaalacetaat weer is ontstaan (dat dan weer
met een nieuw pyrodruivenzuurmolecuul kan reageren). Al deze reacties vormen dus een cyclus waarbij stapsgewijs CO2 wordt
afgesplitst en H-atomen ontstaan. De onderste stap in de cirkel levert bovendien direct één ATP-molecuul.
Samenvattend kan men stellen dat er, wanneer één pyrodruivenzuurmolecuul (d.w.z. 1/2 glucose-molecuul) de cirkel doorloopt,
geleverd wordt:
- 2 H-atomen bij de eerste stap
- 8 H-atomen bij de andere stappen van de cirkel
- 1 ATP bij de onderste stap

- 3 CO2-moleculen (die verder voor de energieopbrengst van geen betekenis zijn).
Gerekend per glucosemolecuul (zie rechter kolom) zijn deze aantallen dus tweemaal zo groot.
De ontstane H-atomen doorlopen nu de zogenaamde ademhalingsketen. Dit is een aantal enzymen, cytochromen genaamd, die
zich op de cristae van de mitochondriën bevinden. De H-atomen binden zich in een vaste volgorde aan de verschillende
cytochromen. Bij de overdracht van het H-atoom van het ene naar het andere cytochroom wordt de binding steeds losser
(aangegeven door het aantal bindingsstreepjes) zodat steeds wat energie vrijkomt. Na een aantal stappen laat het H-atoom van het
cytochroom los en blijft slechts een elektron (‘e’) aan het cytochroom gebonden: het vrijkomende H-atoom is nu dus een H-ion
geworden (linksonder aangegeven, na de tweede stap). Ook bij de overdracht van elektronen van cytochroom naar cytochroom
komt steeds weer wat energie vrij totdat ook de elektronen van het cytochroom loslaten. De twee vrijkomende elektronen ioniseren
nu een zuurstofatoom (‘1/2 02’). De waterstof en zuurstofionen vormen water (H2O). Men zou kunnen zeggen dat zuurstof de
elektronen en H-atomen door de ademhalingsketen ‘trekt’ en daarmee de Krebscyclus-reacties versnelt. Zowel Krebscyclus als
ademhalingsketen treden uitsluitend op bij aanwezigheid van zuurstof.
De in de ademhalingsketen stapsgewijs vrijgekomen energie wordt gebruikt voor de vorming van ATP-moleculen. Wanneer 2 Hatomen
de ademhalingsketen volledig doorlopen kunnen 3 ATP-moleculen gevormd worden.
Men noemt dit proces de oxydatieve fosforylering (d.w.z. fosforylering van het ADP tot ATP is gekoppeld aan de oxydatie van de
cytochromen). De 4 H-atomen uit de glycolyse en nog eens 4 andere H-atomen uit de Krebscyclus beginnen om een of andere
reden een stap later in de cytochromenketen zodat zij slechts 8 in plaats van 12 ATP leveren.
De bij alle bovengenoemde reacties vrijkomende H-atomen worden steeds gekoppeld aan zogenaamde waterstof-acceptoren (in
cytoplasma en mitochondriën). Deze acceptoren dragen de H-atomen uiteindelijk aan de cytochromen over. Bij aërobe verbranding
van één molecuul glucose ontstaat aldus een totale opbrengst van 36 ATP moleculen (d.w.z. 18 ¥ zoveel als bij de glycolyse).
Wordt glycogeen volgens deze weg verbrand dan is de opbrengst nog één ATP-molecuul meer.
De somreactie is als volgt:
glucose + 6 O2 Æ 6 CO2 + 6H2O + 36 ATP
Het gevormde water en koolzuurgas zijn in feite afvalstoffen. Ten dele kunnen zij echter in het lichaam nuttig worden gebruikt
zoals voor het op peil houden van de voorraad bicarbonaatbuffer en de hoeveelheid lichaamswater.
Voor andere energieleverende reacties zoals vetzuur-, eiwitverbranding en de zogenaamde pentosefosfaatshunt zij verwezen naar
de standaardwerken biochemie.
Ref.: 2, A