Adenosine trifosfaat (ATP) speelt een belangrijke rol in het metabolisme. Een groot aantal reacties in de dierlijke cel zijn bedoeld om energie in de vorm van ATP te maken. ATP is een labiel molecuul met twee hoogenergetische fosfaatverbindingen. Per fosfaatverbinding bevat ATP 12.000 calorieën. 1000 calorieën is even veel als 1 kcal. Een volwassen man heeft dagelijks ongeveer 2500 kcal nodig. Een volwassen vrouw heeft dagelijks ongeveer 2000 kcal per dag nodig.
ATP komt voor in het cytoplasma en nucleoplasma van alle cellen. Alle fysiologische processen die energie nodig hebben, krijgen die energie van ATP (of andere hoogenergetische stoffen zoals guanine trifosfaat (GTP)). De voedingsstoffen in cellen worden gestaag geoxideerd/verbrand. De energie die hierbij vrijkomt, wordt gebruikt om ATP te vormen.
Transport van glucose door het celmembraan
De eindproducten van de vertering van koolhydraten zijn glucose, fructose en galactose. Deze monosacchariden kunnen niet middels normale diffusie over het celmembraan bewegen. Om de cel binnen te komen, moeten deze monosacchariden binden aan een eiwitcarrier, die middels gefaciliteerde diffusie het monosaccharide over het celmembraan transporteert. Als het monosaccharide in de cel is getransporteerd, laat het los van de carrier. Insuline stimuleert de gefaciliteerde diffusie van glucose. De snelheid van glucosetransport over het celmembraan neemt sterk toe in de aanwezigheid van insuline. De snelheid waarmee glucose de lichaamscellen in komt, zonder insuline (met uitzondering van lever- en hersencellen) is te laag, om de cel van voldoende energie te kunnen voorzien. Glucose wordt gefosforyleerd door het enzym glucokinase (andere naam is hexokinase). De fosforylatie van glucose is bijna geheel irreversibel. Alleen in de levercellen, renale tubulaire epitheel en de spijsverteringsepitheelcellen is glucosefosfatase aanwezig wat de fosforylatiereactie ongedaan kan maken. Fosforylatie van glucose is nodig om glucose binnen de cel te houden.
Opslag van glycogeen in de lever en spiercellen
Nadat glucose is geabsorbeerd door de cellen kan het direct worden verbrand, of opgeslagen worden in de vorm glycogeen. Glycogeen is een grote glucosepolymeer. Alle cellen van het lichaam zijn in staat om glycogeen in kleine hoeveelheden op te slaan. De lever en de spieren kunnen echter zeer grote hoeveelheden opslaan. Het glycogeen kan polymeriseren tot een zeer molecuul met een moleculair gewicht van 5 miljoen. Deze grote moleculen blijven niet opgelost, maar vormen granules. De vorming van glycogeen wordt glycogenese genoemd. Glycogenolyse is de afbraak van glycogeen tot glucose. Tijdens de glycogenolyse wordt aan de uiteinden van het glycogeenmolecuul door het enzym fosforylase glucose afgesplitst. Tijdens rust is het fosforylase inactief en worden er dus geen glucosemoleculen van het glycogeen afgesplitst. De hormonen adrenaline en glucagon kunnen het fosforylase activeren. Adrenaline en glucagon activeren cyclisch adenosinemonfosfaat (cAMP). Het cAMP initieert een cascade van chemische reacties die uiteindelijk fosforylase activeren.
De aërobe glycolyse
De gehele oxidatie van 1 mol glucose levert 686000 calorieën (=686 kcal). Er zijn echter maar 12000 calorieën nodig om 1 mol ATP te vormen. Het zou een extreme energieverspilling zijn, als 1 mol glucose wordt afgebroken tot water en koolstofdioxide om maar 1 mol ATP te vormen. Gelukkig zijn er een hele serie van enzymen die het glucose in kleine stappen afbreken en er dus geleidelijk energie vrijkomt. Uiteindelijk kan er 38 mol ATP uit 1 mol glucose gevormd worden. Tijdens de glycolyse wordt pyruvaat gevormd. Uiteindelijk wordt in de aërobe glycolyse glucose tot 2 moleculen pyruvaat afgebroken. De afbraak van glucose tot pyruvaat gebeurt in 10 opeenvolgende stappen. Elke stap wordt gekatalyseerd door minimaal 1 enzym. Ondanks de vele chemische reacties tijdens de glycolyse, levert de glycolyse maar 2 mol ATP voor elke mol glucose. Er worden 24000 calorieën vastgelegd in de vorm van ATP. Van het originele glucosemolecuul zijn echter 56000 calorieën verloren gegaan. Dit betekent dat de efficiëntie van ATP-vorming in de glycolyse 43% is. De overige 57% van energie is verloren gegaan in de vorm van warmte. Pyruvaat wordt tot acetylCoA omgezet. De volgende stap in de afbraak van glucose is de omzetting van 2 moleculen pyruvaat in 2 moleculen acetylCoA. Tijdens deze reactie komen er 2 koolstofdioxide en 4 waterstofatomen vrij. Er wordt geen ATP gevormd. Uit de 4 vrijgekomen waterstofatomen kunnen later in de oxidatieve fosforylatie echter 6 mol ATP gevormd worden. Vervolgens wordt acetylCoA in de citroenzuurcyclus verder afgebroken. De citroenzuurcyclus is een serie reacties waarin het acetyldeel van acetylCoA verder wordt afgebroken tot koolstofdioxide en waterstofatomen. Deze reacties vinden plaats in de matrix van de mitochondrieen. De vrijgekomen waterstofatomen worden vervolgens geoxideerd. Hierbij komt een enorme hoeveelheid energie vrij. Deze energie wordt vastgelegd in de vorm van ATP. Tijdens de citroenzuurcyclus wordt echter niet veel ATP geproduceerd. In de citroenzuurcyclus worden maar 2 mol ATP gevormd voor elke mol glucose.
Oxidatieve fosforylatie
Ondanks de complexiteit van de glycolyse en de citroenzuurcyclus wordt er maar een kleine hoeveelheid ATP in deze celreacties gevormd. Er worden 2 mol ATP in de glycolyse en 2 mol ATP in de citroenzuurcyclus voor elke mol glucose gevormd. Bijna 95% van de totale hoeveelheid ATP wordt gevormd in de oxidatieve fosforylatie. In de oxidatieve fosforylatie worden waterstofatomen geoxideerd. De functie van de glycolyse en citroenzuurcyclus is het vrijmaken van waterstofatomen voor de uiteindelijke oxidatieve fosforylatie. Oxidatieve fosforylatie wordt bereikt door een serie van catalytische enzymreacties in de mitochondrie. Tijdens dit proces worden de waterstofatomen omgezet in waterstofionen en electronen. De electronen gaan een reactie aan met zuurstof, om zo hydroxylionen te vormen. De waterstof- en hydroxylionen gaan een reactie aan met elkaar om water te vormen. Tijdens deze oxidatieve reacties worden er grote hoeveelheden ATP gevormd. Dit proces is de uiteindelijke oxidatieve fosforylatie. Dit proces vindt geheel in het mitochondrie plaats, middels het chemiosmotische mechanisme. De electronen die van waterstof worden afgesplitst dringen het electronentransportsysteem (ETS) binnen. Het ETS is een integrale component van de binnenmembraan van het mitochondrie. Het ETS bestaat uit een serie electronacceptors die gereduceerd of geoxideerd kunnen worden, door electronen te accepteren of af te staan. Belangrijke delen van de ETS zijn: flavoproteine, ijzerionproteinen, ubiquinon en de cytochromen B, C1, C, A en A3. Elk electron wordt door alle acceptors gestuwd, totdat het cytochroom A3 bereikt. Cytochroom wordt cytochroomoxidase genoemd, omdat het 2 electronen afgeeft en het is in staat om zuurstof aan waterstofionen te binden. Hierbij ontstaat dus water. Tijdens het transport van electronen door het ETS wordt energie vrijgemaakt en gebruikt om ATP te maken. De energie die vrijkomt wanneer eletronen door het ETS heen gaan, wordt gebruikt om een waterstofionengradient te vormen. De hoge concentratie van waterstofionen rondom de mitochondriele binnenmembraan, veroorzaakt een groot electrisch potentiaalverschil. Hierdoor stromen waterstofionen in de mitochondriele matrix door het molecuul ATP-synthetase. De energie van de waterstofionen wordt gebruikt om ADP om te zetten tot ATP. Voor 2 waterstofionen kan door het ETS 3 mol ATP gevormd worden.
Bronnen:
JE. Hall, 2006, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology, Elsevier Inc
GA Thibodeau, Patton KT 2007, Anatomy & Physiology, Mosby/Elsevier
EN Marieb, Hoehn K 2007, Human Anatomy & Physiology, Pearson/Benjamin Cummings
