Universitaire biologie — jaar 1 · Bachelor Year 1

15Celademhaling en gisting

Een kolf gist in suikeroplossing waaruit de lucht is geweerd borrelt koolstofdioxide en zet de suiker om in alcohol; laat er lucht bij en het borrelen vertraagt, de alcohol houdt op, en de gist groeit op dezelfde suiker tien keer sneller. Pasteur zag dat in 1861 en kon het niet verklaren; de verklaring kostte een eeuw en loopt door dit hele hoofdstuk. Zuurstof laat een cel uit glucose vijftien keer de energie halen die zij er zonder zuurstof uit kan krijgen, en zij doet dat door de elektronen van de suiker langs een keten van dragers naar zuurstof te leiden, terwijl zij bij hun val protonen over een membraan pompt, en de protonen door een turbine terug te laten stromen die ATP maakt. Dit hoofdstuk beschrijft de glycolyse, de krebscyclus, de ademhalingsketen en haar chemiosmotische koppeling, de gistingen die het zonder zuurstof stellen, en het verbranden van vetten en eiwitten door dezelfde machinerie.

15.1 De oxidatie van glucose

Propositie 15.1 (De totaalreactie en haar fasen)

De volledige oxidatie van glucose,

\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}, \qquad \Delta G^{\circ\prime} = -2870\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol},

verloopt in drie fasen die de elektronen de zuurstof nooit rechtstreeks laten ontmoeten. De glycolyse, in het cytosol, splitst glucose in twee pyruvaat en levert 2 ATP en 2 NADH. De oxidatie van pyruvaat en de krebscyclus, in de mitochondriale matrix, oxideren het pyruvaat tot $\mathrm{CO_2}$ , waarbij de elektronen op 8 NADH en 2 $\mathrm{FADH_2}$ worden geladen en 2 GTP wordt gemaakt. De oxidatieve fosforylering, in het binnenmembraan van het mitochondrion, geeft die elektronen aan zuurstof door via een keten dragers die protonen pompt, en de protonengradiënt drijft de synthese van ongeveer 26 ATP aan. In totaal zo’n 30 ATP per glucose: ongeveer de helft van de vrije verbrandingsenergie vastgelegd, de rest als warmte afgegeven.

Definitie 15.2 (Elektronendragers)

$\mathrm{NAD^+}$ (nicotinamide-adenine-dinucleotide) neemt van een substraat twee elektronen en één proton op en wordt NADH; FAD neemt twee elektronen en twee protonen op en wordt $\mathrm{FADH_2}$ . Beide zijn co-enzymen van dehydrogenasen, en beide worden hergebruikt: door het katabolisme gereduceerd, door de ademhalingsketen weer geoxideerd. Een cel bevat er maar micromollen van, die per uur duizenden keren worden omgezet. Hun redoxpotentialen, $E'_0 = -0.32\,\mathrm{V}$ voor $\mathrm{NAD^+}/\mathrm{NADH}$ , plaatsen hen ver onder zuurstof ( $+0.82\,\mathrm{V}$ ): elk paar elektronen dat NADH aan zuurstof afgeeft komt vrij met $\Delta G^{\circ\prime} = -2F\Delta E = -220\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , genoeg voor meer dan vier ATP.

De drie fasen van de ademhaling. De glycolyse en de krebscyclus halen de elektronen van glucose af en laden ze op NADH en FADH_2; de oxidatieve fosforylering verzilvert ze. — De drie fasen van de ademhaling. De glycolyse en de krebscyclus halen de elektronen van glucose af en laden ze op NADH en $\mathrm{FADH_2}$ ; de oxidatieve fosforylering verzilvert ze.

15.2 Glycolyse

Definitie 15.3 (Glycolyse)

De glycolyse is een reeks van tien enzymreacties in het cytosol die één glucose (C6) omzet in twee pyruvaat (C3). In de investeringsfase worden twee ATP uitgegeven om de suiker te fosforyleren (hexokinase, daarna fosfofructokinase, PFK) en wordt het difosfaat met zes koolstoffen in twee fosfaten met drie koolstoffen gesplitst. In de opbrengstfase wordt elke triose door $\mathrm{NAD^+}$ geoxideerd (de enige oxidatie van de glycolyse) en worden haar fosfaten door substraatfosforylering aan ADP overgedragen — een fosfaat dat rechtstreeks van een energierijk tussenproduct aan ADP wordt doorgegeven, zonder membraan of zuurstof. De balans:

\text{glucose} + 2\,\mathrm{NAD^+} + 2\,\mathrm{ADP} + 2\,\mathrm{P_i} \to 2\,\text{pyruvaat} + 2\,\mathrm{NADH} + 2\,\mathrm{H^+} + 2\,\mathrm{ATP} + 2\,\mathrm{H_2O} .

Zij heeft geen zuurstof nodig; zij is de oudste en meest algemene route van de stofwisseling.

De glycolyse in grote lijnen. Twee ATP worden uitgegeven om een difosfaat met zes koolstoffen te bouwen, dat in twee triosen splitst; hun oxidatie en twee substraatfosforyleringen leveren samen vier ATP en twee NADH terug. Fosfofructokinase is de regelkraan van de route.

Propositie 15.4 (Regeling bij fosfofructokinase)

PFK, de eerste onomkeerbare stap die aan de glycolyse is toegewijd, is een allosterisch enzym (Hoofdstuk 13) dat door ATP en door citraat wordt geremd — de signalen dat energie en brandstof voor de krebscyclus overvloedig zijn — en door AMP en ADP wordt geactiveerd, de signalen dat zij dat niet zijn. Wanneer het ATP hoog is, daalt de stroom door de glycolyse binnen seconden; wanneer de cel ATP uitgeeft, stijgt AMP steil (via adenylaatkinase, $2\,\mathrm{ADP} \rightleftharpoons \mathrm{ATP} + \mathrm{AMP}$ ), en gaat PFK open. De energielading van de cel regelt de route die haar vult.

15.3 Pyruvaatoxidatie en de krebscyclus

Definitie 15.5 (Pyruvaatdehydrogenase, acetyl-CoA)

Pyruvaat gaat het mitochondrion binnen en wordt door het complex pyruvaatdehydrogenase geoxideerd tot acetyl-CoA — een acetylgroep met twee koolstoffen, gedragen door co-enzym A (Hoofdstuk 11) aan een energierijke thio-esterbinding — waarbij één $\mathrm{CO_2}$ en één NADH vrijkomen. Acetyl-CoA is de gemeenschappelijke ingang van alle brandstoffen in de cyclus: koolhydraten via pyruvaat, vetten via $\beta$ -oxidatie, veel aminozuren rechtstreeks.

Definitie 15.6 (De krebscyclus)

De krebscyclus (citroenzuurcyclus) in de mitochondriale matrix condenseert acetyl-CoA (C2) met oxaalacetaat (C4) tot citraat (C6) en oxideert in acht stappen de twee koolstoffen tot $\mathrm{CO_2}$ terwijl hij het oxaalacetaat herstelt. Per acetylgroep: 3 NADH, 1 $\mathrm{FADH_2}$ , 1 GTP (door substraatfosforylering) en 2 $\mathrm{CO_2}$ . Per glucose (twee acetylgroepen): 6 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP, 4 $\mathrm{CO_2}$ — wat met de 2 $\mathrm{CO_2}$ van het pyruvaatdehydrogenase de zes van de totaalvergelijking oplevert. In de cyclus zelf wordt geen zuurstof verbruikt; hij loopt alleen zolang de ademhalingsketen zijn NADH weer oxideert. Hij is ook amfibool: zijn tussenproducten worden voor de opbouw afgetapt (Hoofdstuk 16) en uit aminozuren en pyruvaat aangevuld.

De krebscyclus. Een acetylgroep komt binnen door met oxaalacetaat te condenseren; twee koolstoffen vertrekken als CO_2 bij de twee decarboxyleringen; de vier oxidaties laden drie NADH en één FADH_2; het oxaalacetaat wordt hersteld voor de volgende ronde. — De krebscyclus. Een acetylgroep komt binnen door met oxaalacetaat te condenseren; twee koolstoffen vertrekken als $\mathrm{CO_2}$ bij de twee decarboxyleringen; de vier oxidaties laden drie NADH en één $\mathrm{FADH_2}$ ; het oxaalacetaat wordt hersteld voor de volgende ronde.

Voorbeeld 15.7 (De koolstoffen volgen)

Geef een cel glucose die op koolstof 1 met $\mathrm{^{14}C}$ is gemerkt: het merk verschijnt in de methylkoolstof van pyruvaat, daarna in die van acetyl-CoA, komt in citraat terecht, en vertrekt pas in de tweede of derde ronde van de cyclus als $\mathrm{CO_2}$ — de twee koolstoffen die in een gegeven ronde vrijkomen horen bij het oxaalacetaat van de vorige. Krebs (1937) leidde de cyclus af uit de waarneming dat katalytische hoeveelheden van elk van zijn zuren de oxidatie van veel meer pyruvaat aanwakkerden dan zij zelf konden verklaren: zij werden telkens hersteld.

Hans Krebs (1900–1981), die de cyclus in 1937 uitwerkte uit de snelheden waarmee gemalen duivenspier zijn zuren oxideerde. Foto: Nobelstichting, publiek domein.

15.4 Oxidatieve fosforylering

Definitie 15.8 (De ademhalingsketen)

De ademhalingsketen bestaat uit vier eiwitcomplexen van het binnenmembraan van het mitochondrion en twee beweeglijke dragers. NADH geeft zijn elektronen aan complex I, $\mathrm{FADH_2}$ (via succinaatdehydrogenase, complex II) de zijne; beide reduceren ubichinon (Q), een vetoplosbaar chinon dat in de membraan diffundeert; Q geeft ze door aan complex III, dat ze overhandigt aan cytochroom $c$ , een klein eiwit aan de buitenzijde; en complex IV (cytochroomoxidase) levert ze, vier tegelijk, aan $\mathrm{O_2}$ , waarbij water ontstaat. Bij elk van de complexen I, III en IV dalen de elektronen in potentiaal en pompt de energie protonen uit de matrix naar de intermembraanruimte: ongeveer 4, 4 en 2 per paar elektronen, tien per NADH, zes per $\mathrm{FADH_2}$ (dat onder complex I binnenkomt).

Het binnenmembraan van het mitochondrion. Elektronen (oranje) vallen van NADH of FADH_2 door de complexen naar zuurstof; de complexen I, III en IV pompen protonen naar buiten (groen); het ATP-synthase laat ze weer binnen en maakt ATP. — Het binnenmembraan van het mitochondrion. Elektronen (oranje) vallen van NADH of $\mathrm{FADH_2}$ door de complexen naar zuurstof; de complexen I, III en IV pompen protonen naar buiten (groen); het ATP-synthase laat ze weer binnen en maakt ATP.

Stelling 15.9 (Chemiosmotische koppeling)

De protonengradiënt die de keten opbouwt — ongeveer $0.16\,\mathrm{V}$ membraanpotentiaal (de matrix negatief) plus één pH-eenheid, een protonmotorische kracht van ongeveer $0.22\,\mathrm{V}$ , oftewel $21\,\mathrm{kJ}$ per mol protonen — is de enige schakel tussen het elektronentransport en de ATP-synthese. Het ATP-synthase, een draaimotor van het binnenmembraan, laat er per gemaakte ATP ongeveer $3\,\mathrm{H}^{+}$ door, en er wordt er nog één uitgegeven aan het invoeren van het fosfaat en het uitvoeren van het ATP: 4 per ATP. Vandaar de P/O-verhouding: $10/4 = 2.5$ ATP per NADH en $6/4 = 1.5$ per $\mathrm{FADH_2}$ .

Bewijsmateriaal. Mitochondriën maken alleen ATP wanneer hun binnenmembraan heel en gesloten is; fragmenten die wel elektronen vervoeren maar geen gradiënt kunnen vasthouden maken er geen. Ontkoppelaars zoals dinitrofenol, die protonen over de membraan heen en weer dragen, heffen de ATP-synthese op terwijl het zuurstofverbruik doorgaat en zelfs versnelt, waarbij de energie als warmte vertrekt — bruin vet doet dat opzettelijk met zijn eigen ontkoppelend eiwit (Hoofdstuk 2), en dinitrofenol werd ooit als afslankmiddel verkocht dat door oververhitting doodde. Remmers van de keten (cyanide op complex IV) stoppen beide; remmers van het synthase (oligomycine) stoppen de ATP-synthese en, doordat de gradiënt zich niet kan ontladen, ook de ademhaling, die een ontkoppelaar dan weer herstelt. Een kunstmatige pH-gradiënt die in het donker aan mitochondriën wordt opgelegd, drijft de ATP-synthese aan, net als bij chloroplasten (Hoofdstuk 14). ∎

Een opengesneden mitochondrion. De plooien van het binnenmembraan vermenigvuldigen het oppervlak dat voor de keten en het synthase beschikbaar is; de matrix daarbinnen bevat de krebscyclus.

Methode 15.10 (De ATP-balans van één glucose)

Glycolyse: $+2$ ATP (netto), $+2$ NADH in het cytosol.
Pyruvaatdehydrogenase: $+2$ NADH. Krebscyclus: $+6$ NADH, $+2$ $\mathrm{FADH_2}$ , $+2$ GTP ( $=$ ATP).
Oxidatieve fosforylering: $2.5$ ATP per mitochondriale NADH (8: 20 ATP), $1.5$ per $\mathrm{FADH_2}$ (2: 3 ATP).
Cytosolisch NADH kan het binnenmembraan niet passeren; zijn elektronen komen binnen via een pendel die ze aan $\mathrm{FAD}$ aflevert (1,5 elk, in spier en hersenen) of aan $\mathrm{NAD^+}$ (2,5 elk, in lever en hart): 3 of 5 ATP.
Samen: $2 + 2 + 20 + 3 + 3 = 30$ , of $32$ met de betere pendel. Rendement: $30\times 50/2870 \approx 52\,\%$ onder cellulaire omstandigheden.

15.5 Gisting

Definitie 15.11 (Gisting)

Zonder zuurstof staat de ademhalingsketen stil, kan NADH niet weer worden geoxideerd, en zou de glycolyse binnen seconden stoppen bij gebrek aan $\mathrm{NAD^+}$ . De gisting herstelt het door pyruvaat zelf als elektronenontvanger te gebruiken: bij de melkzuurgisting (spier, rode cellen, melkzuurbacteriën) wordt pyruvaat tot lactaat gereduceerd; bij de alcoholgisting (gist, sommige planten) wordt het gedecarboxyleerd tot aceetaldehyde, dat tot ethanol wordt gereduceerd, waarbij $\mathrm{CO_2}$ vrijkomt. De opbrengst is die van de glycolyse zelf: 2 ATP per glucose, een vijftiende van die van de ademhaling; de koolstof is nauwelijks geoxideerd en de producten bevatten nog vrijwel alle energie van de brandstof. De anaerobe ademhaling — een elektronentransportketen die op nitraat, sulfaat of carbonaat eindigt in plaats van op zuurstof, bij veel bacteriën — is iets anders, en komt aan bod in het deel van jaar 2.

Links: bakkersgist, aan het knoppen. Rechts: wat haar gisting met deeg doet: het CO_2 van twee ATP aan glycolyse per glucose, gevangen in gluten. De ethanol bakt eruit. — Links: bakkersgist, aan het knoppen. Rechts: wat haar gisting met deeg doet: het $\mathrm{CO_2}$ van twee ATP aan glycolyse per glucose, gevangen in gluten. De ethanol bakt eruit.

Propositie 15.12 (Het pasteureffect)

Een cel die kan ademen verbruikt veel sneller glucose wanneer haar zuurstof wordt onthouden dan wanneer zij die krijgt, en zij groeit er veel minder op.

Bewijsmateriaal. Pasteur (1861) vond dat gist in een belucht vat traag suiker verbruikte en zich vermenigvuldigde, terwijl zij in een afgesloten vat tien keer sneller suiker verbruikte, zich weinig vermenigvuldigde en alcohol maakte. De verklaring is de ATP-opbrengst: om uit 2 per glucose evenveel ATP te halen als uit 30, moet de cel de glycolyse vijftien keer sneller laten lopen, en PFK, verlost van de remming door ATP en citraat die de ademhaling in stand houdt, laat haar dat doen. Een sprintende spier vertoont hetzelfde effect binnen seconden: haar glycogeen daalt twintig keer sneller dan in rust, en het lactaat stijgt. ∎

Definitie 15.13 (Respiratoir quotiënt)

Het respiratoir quotiënt RQ is de verhouding van geproduceerde $\mathrm{CO_2}$ tot verbruikte $\mathrm{O_2}$ , in mol. Koolhydraat geeft 1,0 (zes van elk per glucose); vet ongeveer 0,7 (palmitaat: $\mathrm{C_{16}H_{32}O_2} + 23\,\mathrm{O_2} \to 16\,\mathrm{CO_2} + 16\,\mathrm{H_2O}$ , $16/23 = 0.70$ ), omdat zijn koolstoffen sterker gereduceerd zijn en per $\mathrm{CO_2}$ meer zuurstof vragen; eiwit ongeveer 0,8. Een gistende kweek geeft $\mathrm{CO_2}$ af zonder zuurstof op te nemen: haar RQ is oneindig, en een RQ boven 1 bij een gemengde kweek meet het aandeel van de gisting. Bij een heel dier met gasanalyse gemeten vertelt het RQ welke brandstof het verbrandt.

Voorbeeld 15.14 (Een RQ lezen)

Een mens in rust na een koolhydraatmaaltijd: RQ 0,95, glucoseverbranding. Dezelfde persoon na een nacht vasten: 0,75, vet. Een marathonloper op de dertigste kilometer, met het glycogeen op: 0,72. Een kolf gist op glucose met een beetje lucht: RQ 4 — drie kwart van haar glucose wordt vergist.

15.6 Andere brandstoffen en de regeling van het geheel

Propositie 15.15 (Vetten en eiwitten komen in dezelfde machinerie)

Vetzuren worden tot acyl-CoA geactiveerd en in de mitochondriale matrix telkens twee koolstoffen tegelijk ingekort door de $\beta$ -oxidatie, waarbij elke ronde één acetyl-CoA, één NADH en één $\mathrm{FADH_2}$ oplevert: palmitaat (C16) geeft 8 acetyl-CoA, 7 NADH en 7 $\mathrm{FADH_2}$ — ongeveer 106 ATP, oftewel $6.6\,$ ATP per koolstof tegen de 5 van glucose. Aminozuren verliezen hun stikstof als ammoniak (in de lever tot ureum omgezet) en hun koolstofskeletten komen binnen als pyruvaat, acetyl-CoA of tussenproducten van de krebscyclus. Elke brandstof komt samen bij acetyl-CoA en de keten; de cel kiest ertussen aan de hand van hormonen en van de toestand van haar ATP, zoals Hoofdstuk 16 beschrijft.

Voorbeeld 15.16 (Een gram van elk)

Eén gram glucose ( $5.6\,\mathrm{mmol}$ ) levert ongeveer $170\,\mathrm{mmol}$ ATP; één gram palmitaat ( $3.9\,\mathrm{mmol}$ ) ongeveer $410\,\mathrm{mmol}$ — de $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ tegen $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ van Hoofdstuk 9, in munt omgezet. Het vet kost per ATP meer zuurstof, en daarom verbrandt de spier van een sprinter, die door zuurstof wordt begrensd, glycogeen, en verbrandt een trekvogel, die zuurstof genoeg heeft maar door massa wordt begrensd, vet.

15.7 Opgaven

Oefening 15.1 ★

Noem de drie fasen van de ademhaling, hun plaats, en wat elk oplevert.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.1.

Glycolyse, cytosol: 2 pyruvaat, 2 ATP, 2 NADH. Pyruvaatoxidatie en krebscyclus, mitochondriale matrix: 6 $\mathrm{CO_2}$ , 8 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP. Oxidatieve fosforylering, binnenmembraan: water uit zuurstof, ongeveer 26 ATP.

Oefening 15.2 ★

Schrijf de balans van de glycolyse op en leg “substraatfosforylering” uit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.2.

Glucose $+ 2\,\mathrm{NAD^+} + 2\,\mathrm{ADP} + 2\,\mathrm{P_i} \to 2$ pyruvaat $+ 2\,\mathrm{NADH} + 2\,\mathrm{H^+} + 2\,\mathrm{ATP} + 2\,\mathrm{H_2O}$ . Substraatfosforylering: een fosfaat wordt door een enzym rechtstreeks van een energierijk tussenproduct (1,3-bisfosfoglyceraat, fosfo-enolpyruvaat) aan ADP overgedragen, zonder membraangradiënt of zuurstof.

Oefening 15.3 ★

Noem aan de hand van de figuur van de krebscyclus op volgorde de producten die in één ronde vrijkomen, en zeg waar de twee $\mathrm{CO_2}$ vandaan komen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.3.

NADH en $\mathrm{CO_2}$ (isocitraat naar $\alpha$ -ketoglutaraat), NADH en $\mathrm{CO_2}$ ( $\alpha$ -ketoglutaraat naar succinyl-CoA), GTP (succinyl-CoA naar succinaat), $\mathrm{FADH_2}$ (succinaat naar fumaraat), NADH (malaat naar oxaalacetaat). De twee $\mathrm{CO_2}$ komen van de twee decarboxyleringen van de zuren met zes en met vijf koolstoffen.

Oefening 15.4 ★

Wat bereikt de gisting voor een cel zonder zuurstof, en wat bereikt zij niet?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.4.

Zij herstelt $\mathrm{NAD^+}$ zodat de glycolyse door kan gaan en haar 2 ATP per glucose kan leveren. Zij oxideert de koolstof niet, haalt de resterende energie er niet uit (het product houdt haar vrijwel volledig) en maakt niet meer dan een vijftiende van het ATP van de ademhaling.

Oefening 15.5 ★★

Bereken $\Delta G^{\circ\prime}$ voor de overdracht van twee elektronen van NADH ( $E'_0 = -0.32\,\mathrm{V}$ ) naar zuurstof ( $+0.82\,\mathrm{V}$ ), en naar ubichinon ( $+0.05\,\mathrm{V}$ ). Voor hoeveel ATP zou elke stap in beginsel kunnen betalen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.5.

Naar zuurstof: $-2\times 96\,500\times 1.14 = -220\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , vier ATP van $50\,\mathrm{kJ}$ . Naar ubichinon: $-2\times 96\,500\times 0.37 = -71\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , één ATP.

Oefening 15.6 ★★

Stel de ATP-balans op van één glucose in een spiercel (glycerolfosfaatpendel) en in een levercel (malaatpendel), met P/O-verhoudingen van 2,5 en 1,5.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.6.

Spier: $2 + 2$ (GTP) $+ 8\times 2.5$ (mitochondriaal NADH) $+ 2\times 1.5$ ( $\mathrm{FADH_2}$ ) $+ 2\times 1.5$ (cytosolisch NADH via FAD) $= 30$ . Lever: het cytosolische NADH geeft $2\times 2.5$ : 32.

Oefening 15.7 ★★

Een kweek verbruikt per uur $1.0\,\mathrm{mmol}$ $\mathrm{O_2}$ en geeft $2.2\,\mathrm{mmol}$ $\mathrm{CO_2}$ af op glucose. Bereken het RQ, en de delen van de glucose die worden verademd en vergist.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.7.

RQ $= 2.2$ . Verademde glucose $x$ : $6x = 1.0$ , $x = 0.167\,\mathrm{mmol}$ ; $\mathrm{CO_2}$ : $6x + 2y = 2.2$ , $2y = 1.2$ , $y = 0.6\,\mathrm{mmol}$ . Vergist wordt $0.6/0.767 = 78\,\%$ van de glucose, verademd $22\,\%$ .

Oefening 15.8 ★★

Leg uit wat er met het zuurstofverbruik, de ATP-synthese en de warmteproductie gebeurt wanneer er dinitrofenol aan ademende mitochondriën wordt toegevoegd, en waarom het middel dodelijk was.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.8.

Het zuurstofverbruik stijgt (de keten loopt, bevrijd van de tegendruk van de gradiënt, op volle snelheid), de ATP-synthese stopt (er is geen gradiënt om het synthase aan te drijven), en alle energie van de elektronen verschijnt als warmte. Patiënten verbrandden hun vet snel en stierven aan een lichaamstemperatuur die niets omlaag kon brengen.

Oefening 15.9 ★★

Cyanide blokkeert complex IV. Voorspel het effect ervan op de ademhalingsketen, op de krebscyclus en op de glycolyse in een cel, en leg uit waarom er lactaat in het bloed van de vergiftigde ophoopt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.9.

De keten loopt vast: elke drager raakt gereduceerd, er worden geen protonen gepompt en er wordt geen ATP gemaakt. NADH wordt niet weer geoxideerd, zodat de krebscyclus en het pyruvaatdehydrogenase stilvallen bij gebrek aan $\mathrm{NAD^+}$ . De glycolyse, verlost van de remming door ATP, loopt snel en moet haar $\mathrm{NAD^+}$ herstellen door pyruvaat tot lactaat te reduceren, dat het bloed overspoelt.

Oefening 15.10 ★★★

Bereken de ATP-opbrengst van palmitaat (8 acetyl-CoA, 7 NADH, 7 $\mathrm{FADH_2}$ , min 2 ATP voor de activering) en de opbrengst per koolstof; bereken de zuurstof die per ATP wordt verbruikt voor palmitaat en voor glucose. Welke brandstof zou een duikende zeehond verkiezen, en welke een kolibrie?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.10.

$8\times 10 + 7\times 2.5 + 7\times 1.5 - 2 = 80 + 17.5 + 10.5 - 2 = 106$ ATP; $106/16 = 6.6$ per koolstof. Zuurstof: palmitaat 23 $\mathrm{O_2}$ voor 106 ATP, $0.22\,\mathrm{O}_{2}$ per ATP; glucose 6 voor 30, $0.20\,\mathrm{O}_{2}$ per ATP. Per eenheid zuurstof is glucose $10\,\%$ beter: de zeehond, onder water door zuurstof begrensd, verkiest koolhydraat; per eenheid massa is vet twee keer zo goed: de kolibrie, in de vlucht door massa begrensd, trekt op vet.

Oefening 15.11 ★★★

Een spiervezel bevat $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ATP en gebruikt er in een sprint $3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ per seconde van. Hoe lang zou haar ATP alleen volstaan? Haar fosfocreatine ( $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ) herstelt ATP één op één; haar glycogeen geeft via gisting 3 ATP per glucose-eenheid, tot $2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ glucose-eenheden per seconde. Bereken hoe lang elke voorraad de sprint kan volhouden, en leg uit waarom een race over 100 m vrijwel geheel zonder zuurstof wordt gelopen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.11.

ATP alleen: $5/3 < 2\,\mathrm{s}$ . Fosfocreatine: $25/3 = 8\,\mathrm{s}$ . Gisting: $2\times 3 = 6\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ATP per seconde, genoeg voor de vraag, zolang het glycogeen en de verdraagzaamheid voor lactaat het volhouden (tientallen seconden). De zuurstoftoevoer heeft een minuut of meer nodig om te stijgen en levert in een vezel hoogstens ongeveer $1\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ATP per seconde: een race van tien seconden is voorbij voordat de ademhaling heeft kunnen helpen, en wordt door fosfocreatine en gisting betaald.

Oefening 15.12 ★★★

“Het mitochondrion is een batterij die door elektronen wordt opgeladen en door een turbine wordt ontladen.” Bespreek dat in een alinea: wat de gradiënt opslaat, wat het synthase doet, waar de vergelijking precies klopt en waar zij los zit.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.12.

De gradiënt slaat energie op als een verschil in protonenconcentratie en in elektrische potentiaal over een isolerende membraan — precies een geladen condensator plus een concentratiecel; de keten is de lader, aangedreven door de val van de elektronen; het synthase is een motor die door de protonenstroom wordt rondgedraaid, precies een turbine, die de stroming aan een mechanische draaiing koppelt die ATP maakt. De vergelijking zit los doordat de “batterij” maar milliseconden van het verbruik van de cel bevat en onafgebroken moet worden opgeladen, doordat de overige transporteiwitten van diezelfde membraan er ook uit putten, en doordat de turbine achteruit kan draaien en ATP hydrolyseert om protonen te pompen wanneer de keten faalt.

15.8 Vraagstuk: gist met en zonder lucht

Probleem 15.1

Weekendvraagstuk — de kolven van Pasteur opnieuw bekeken: ATP geteld, glucose verbruikt, biomassa gekweekt en gassen gemeten, eindigend op de verhouding van de ATP-opbrengsten en de P/O-verhouding

Gist wordt op glucose gekweekt in twee identieke kolven, één belucht en één afgesloten. Gebruik P/O-verhoudingen van 2,5 (NADH) en 1,5 ( $\mathrm{FADH_2}$ ), de $\mathrm{FADH_2}$ -pendel voor cytosolisch NADH, een groeiopbrengst van $10.5\,\mathrm{g}$ droge biomassa per mol ATP, en glucose op $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Deel I — ATP geteld.

Noem het ATP, GTP, NADH en $\mathrm{FADH_2}$ dat uit één glucose wordt gevormd door de glycolyse, het pyruvaatdehydrogenase en de krebscyclus.
Bereken de protonen die de keten per glucose pompt (10 per mitochondriale NADH, 6 per $\mathrm{FADH_2}$ ; cytosolisch NADH komt als $\mathrm{FADH_2}$ binnen).
Bereken het ATP dat het synthase bij $4\,\mathrm{H}^{+}$ per ATP maakt, en het totale ATP per glucose met lucht.
Bereken het ATP per glucose zonder lucht.
Bereken de verhouding van de twee opbrengsten.
Bereken de met lucht vastgelegde vrije energie ( $\Delta G_{\text{ATP}} = -50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ) als deel van de $2870\,\mathrm{kJ}$ , en zonder lucht als deel van diezelfde $2870\,\mathrm{kJ}$ en van de energie die de gisting werkelijk vrijmaakt (glucose tot twee ethanol en twee $\mathrm{CO_2}$ : $-235\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ).

Deel II — Glucose verbruikt, biomassa gekweekt. De afgesloten kolf moet even snel ATP maken als de beluchte om haar cellen in stand te houden: $30\,\mathrm{mmol}$ ATP per uur.

Bereken de glucose die per uur in elke kolf wordt verbruikt.
Bereken de ethanol en de $\mathrm{CO_2}$ die per uur in de afgesloten kolf worden gevormd, en de $\mathrm{CO_2}$ en $\mathrm{O_2}$ die in de beluchte worden uitgewisseld.
Bereken de biomassa die de afgesloten kolf per mol glucose kan bouwen, en per gram glucose.
De beluchte kolf bouwt $0.5\,\mathrm{g}$ biomassa per gram glucose. Bereken hoeveel ATP dat bij $10.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ zou voorstellen, en vergelijk dat met de 30 beschikbare ATP. Wat begrenst de aerobe opbrengst?
Verklaar het pasteureffect uit de vragen 7 en 9, en noem het enzym waarvan de regeling het tot stand brengt.

Deel III — Gassen gemeten. Een derde kolf, slecht belucht, geeft per uur $44\,\mathrm{mg}$ $\mathrm{CO_2}$ af en verbruikt $20\,\mathrm{mg}$ $\mathrm{O_2}$ .

Reken beide om naar millimol en bereken het RQ.
Laat $x$ de per uur verademde glucose zijn en $y$ de vergiste. Schrijf de balansen voor $\mathrm{O_2}$ en $\mathrm{CO_2}$ op en los $x$ en $y$ op.
Welk deel van de glucose wordt vergist? Welk deel van het ATP komt uit de gisting?
Dezelfde kolf op palmitaat in plaats van glucose (aeroob): bereken het RQ.
Een student meet bij een rustend dier na een nacht vasten een RQ van 0,7 en na een maaltijd 1,0. Duid dat.

Deel IV — De turbine.

Bereken de vrije energie van één mol protonen die een protonmotorische kracht van $0.22\,\mathrm{V}$ passeert.
Bereken de energie van $4\,\mathrm{H}^{+}$ en het rendement van het synthase bij $50\,\mathrm{kJ}$ per ATP.
Bereken de vrije energie die vrijkomt wanneer twee elektronen van NADH naar $\mathrm{O_2}$ vallen ( $1.14\,\mathrm{V}$ ), de energie die in de tien gepompte protonen wordt opgeslagen, en het rendement van de keten.
Combineer de twee rendementen en vergelijk dat met 2,5 ATP $\times$ $50\,\mathrm{kJ}$ gedeeld door $220\,\mathrm{kJ}$ .
Er wordt een ontkoppelaar aan de beluchte kolf toegevoegd. Voorspel de veranderingen in het zuurstofverbruik, de ATP-opbrengst, het glucoseverbruik, de warmteafgifte en de groei.
In plaats daarvan wordt oligomycine toegevoegd, dat het synthase blokkeert. Voorspel de veranderingen, en wat er gebeurt als er dan ook nog een ontkoppelaar bij komt.
Een mutante gist mist complex I; haar NADH komt de keten binnen via een ander enzym dat geen protonen pompt. Bereken haar P/O-verhouding voor NADH en haar ATP per glucose.
Leg uit waarom de cel de mitochondriale NADH-voorraad vrijwel volledig gereduceerd houdt wanneer er geen zuurstof is, en wat dat met de krebscyclus doet.
Geef het resultaat: het ATP per glucose met en zonder lucht, hun verhouding, en de P/O-verhoudingen van NADH en $\mathrm{FADH_2}$ .

Oplossing

Oplossing van Probleem 15.1.

1. Glycolyse: 2 ATP, 2 NADH (cytosolisch). Pyruvaatdehydrogenase: 2 NADH. Krebs: 6 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP. 2. Mitochondriaal NADH $8\times 10 = 80$ ; $\mathrm{FADH_2}$ $2\times 6 = 12$ ; cytosolisch NADH als $\mathrm{FADH_2}$ $2\times 6 = 12$ : 104 protonen. 3. $104/4 = 26$ ATP; samen $26 + 2 + 2 = 30$ . 4. 2 ATP. 5. 15. 6. Met lucht $30\times 50 = 1500\,\mathrm{kJ}$ : $52\,\%$ van 2870. Zonder: $100\,\mathrm{kJ}$ , $3.5\,\%$ van 2870 maar $43\,\%$ van de 235 die vrijkomen — de gisting legt doeltreffend vast wat zij vrijmaakt; zij maakt alleen weinig vrij. 7. Belucht $30/30 = 1\,\mathrm{mmol}$ glucose per uur; afgesloten $30/2 = 15\,\mathrm{mmol}$ . 8. Afgesloten: $30\,\mathrm{mmol}$ ethanol en $30\,\mathrm{mmol}$ $\mathrm{CO_2}$ per uur. Belucht: $6\,\mathrm{mmol}$ $\mathrm{CO_2}$ afgegeven en $6\,\mathrm{mmol}$ $\mathrm{O_2}$ verbruikt. 9. $2\times 10.5 = 21\,\mathrm{g}$ per mol, $0.12\,\mathrm{g}$ per gram glucose. 10. $0.5\times 180 = 90\,\mathrm{g}$ per mol, oftewel $90/10.5 = 8.6$ ATP waard tegen 30 beschikbaar: ATP is in overmaat; de opbrengst wordt begrensd door koolstof (de helft van de glucose wordt tot $\mathrm{CO_2}$ geoxideerd om het ATP te maken, en biomassa vraagt koolstofskeletten en reducerende kracht), en het overtollige ATP gaat naar het onderhoud. 11. Om hetzelfde ATP te krijgen verbruikt de afgesloten kweek vijftien keer meer glucose (vraag 7) en groeit zij per gram een vijfde zoveel (vraag 9): snel suikerverbruik, weinig groei, alcohol — de waarneming van Pasteur. Fosfofructokinase, dat bij belucht kweken door ATP en citraat wordt geremd, komt vrij zodra de ademhaling stopt. 12. $\mathrm{CO_2}$ $44/44 = 1.0\,\mathrm{mmol}$ ; $\mathrm{O_2}$ $20/32 = 0.625\,\mathrm{mmol}$ : RQ $= 1.6$ . 13. $\mathrm{O_2}$ : $6x = 0.625$ , $x = 0.104\,\mathrm{mmol}$ . $\mathrm{CO_2}$ : $6x + 2y = 1.0$ , $2y = 0.375$ , $y = 0.1875\,\mathrm{mmol}$ . 14. Vergist wordt $0.1875/0.292 = 64\,\%$ van de glucose. Het ATP uit de gisting is $2y = 0.375$ tegen $30x = 3.12$ uit de ademhaling: $11\,\%$ . 15. $16/23 = 0.70$ . 16. Nuchter verbrandt het dier vet (RQ 0,7); gevoed verbrandt het het koolhydraat van de maaltijd (1,0). 17. $96\,500\times 0.22 = 21.2\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ . 18. $4\times 21.2 = 85\,\mathrm{kJ}$ per ATP van $50\,\mathrm{kJ}$ : $59\,\%$ . 19. $2\times 96\,500\times 1.14 = 220\,\mathrm{kJ}$ ; tien protonen slaan $10\times 21.2 = 212\,\mathrm{kJ}$ op: $96\,\%$ — de keten verspilt weinig; de verliezen zitten bij het synthase en de transporteiwitten. 20. $0.96\times 0.59 = 0.57$ ; $2.5\times 50/220 = 0.57$ : langs beide wegen hetzelfde cijfer. 21. Het zuurstofverbruik stijgt, de ATP-opbrengst daalt naar die van de gisting (2 per glucose uit de glycolyse, en PFK komt vrij, zodat het glucoseverbruik stijgt), de warmteafgifte stijgt, de groei stort in. 22. De ATP-synthese stopt; de gradiënt kan zich niet ontladen, de keten loopt ertegen vast, het zuurstofverbruik stopt, en de cel vergist wat zij kan. Wordt er dan een ontkoppelaar toegevoegd, dan lekken de protonen terug: de keten en het zuurstofverbruik hervatten, nog altijd zonder ATP. 23. NADH pompt alleen via de complexen III en IV: $6/4 = 1.5$ ; per glucose $8\times 1.5 + 2\times 1.5 + 2\times 1.5 + 4 = 22$ ATP. 24. Zonder zuurstof kan de keten geen elektronen opnemen, zodat NADH niet weer wordt geoxideerd en de voorraad gereduceerd blijft; de drie NAD-afhankelijke dehydrogenasen van de cyclus hebben geen $\mathrm{NAD^+}$ en de cyclus stopt — en juist daarom moet de gisting in het cytosol $\mathrm{NAD^+}$ herstellen opdat de glycolyse door kan gaan. 25. 30 ATP met lucht, 2 zonder: een verhouding van 15; P/O 2,5 voor NADH (10 protonen gedeeld door 4 per ATP) en 1,5 voor $\mathrm{FADH_2}$ (6 gedeeld door 4).

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 479 begrippen in de begrippenlijst