Energie opslaan en gebruiken

Voedingsstoffen en energiebalans

Voedsel levert verschillende stoffen met verschillende functies. Koolhydraten en vetten kunnen energie leveren. Eiwitten leveren aminozuren voor lichaamseigen eiwitten en kunnen ook als brandstof dienen. Water, mineralen en vitamines zijn nodig voor veel processen, maar leveren zelf geen metabole energie. Een voedingsmiddel bevat meestal meerdere voedingsstoffen.

Essentiële aminozuren en sommige vetzuren moet je via voedsel binnenkrijgen omdat het lichaam ze niet of onvoldoende kan maken. Voedingsvezels worden niet door menselijke verteringsenzymen afgebroken; een deel wordt wel omgezet door darmbacteriën. Vezels beïnvloeden onder meer de darmpassage.

Bij een energiebalans vergelijk je de energieopname met het totale energieverbruik. Dat verbruik omvat basale stofwisseling, beweging en andere processen. Langdurig meer opnemen dan verbruiken leidt meestal tot opslag; een tekort leidt tot gebruik van reserves. Voor een berekening moeten periode en eenheid overeenkomen. Een etiket kan waarden per 100 gram geven terwijl een portie kleiner is. Reken daarom eerst de energie of hoeveelheid voedingsstof voor de werkelijk gegeten portie uit. Energiebehoefte verschilt tussen personen en omstandigheden; één voedingsstof of één maaltijd bepaalt niet op zichzelf of een heel voedingspatroon gezond is.

Assimilatie en dissimilatie

Alle stofwisseling valt in twee richtingen uiteen. Bij assimilatie bouwt de cel organische stof op en legt daarbij energie vast. Bij dissimilatie breekt ze die weer af en komt de energie vrij.

Waar de bouwstenen vandaan komen bepaalt het onderscheid autotroof-heterotroof. Een autotroof organisme maakt zijn organische stof zelf uit anorganische stof; een heterotroof organisme moet die uit ander organisch materiaal halen. Dat verschil is de basis onder elke voedselketen.

Enzymen als katalysator

In een cel gebeurt vrijwel geen enkele chemische reactie vanzelf snel genoeg. Enzymen lossen dat op: ze katalyseren, dat wil zeggen ze verlagen de energie die de reactie nodig heeft om op gang te komen, zonder er zelf bij op te gaan.

Een enzym heeft specificiteit: zijn actieve plaats bindt een bepaald substraat of een groep verwante substraten en katalyseert een bepaald type omzetting. Veel reacties zijn bovendien evenwichtsreacties die beide kanten op kunnen; welke kant overheerst hangt af van de concentraties aan weerszijden — het enzym versnelt alleen, het bepaalt de richting niet.

Energie in de cel

Energie komt in verschillende vormen voor: chemische energie in bindingen, lichtenergie in straling, kinetische energie in beweging, en warmte — de vorm waarin bij elke omzetting een deel verloren gaat.

De cel rekent intern in ATP. Door aan ADP een derde fosfaatgroep te koppelen sla je energie op; door die er weer af te halen komt hij meteen bruikbaar vrij. Voor het vervoer van waterstof en elektronen zijn er aparte dragers: NAD+ wordt NADH bij de dissimilatie, NADP+ wordt NADPH bij de fotosynthese.

Onder de motorkap gaat het om protonen en elektronen. Een verschil in protonconcentratie over een membraan is precies wat de cel gebruikt om ATP te maken.

Voortgezette assimilatie

De glucose uit de fotosynthese is nog niet het eindpunt. In de voortgezette assimilatie bouwt het organisme er andere stoffen van, elk met hun eigen rol: bouwstof voor cellen en weefsels, brandstof voor de dissimilatie, en reservestof voor later.

Koolhydraten lopen van klein naar groot. Een monosacharide is een enkelvoudige suiker, een disacharide bestaat uit twee, en een polysacharide uit een lange keten. Zetmeel is de reservestof van planten, glycogeen die van dieren — allebei polysachariden, allebei snel weer om te zetten in glucose.

Wat er van gemaakt wordt

Uit de assimilatieproducten bouwt het organisme alles wat het nodig heeft. Cellulose wordt de plantencelwand — voor ons onverteerbaar, maar als voedingsvezel wel nuttig. Vet, opgebouwd uit glycerol en vetzuren, is de compactste reservestof en levert per gram ruim twee keer zoveel energie als koolhydraat.

Eiwitten komen uit aminozuren. Sommige daarvan kan het lichaam zelf maken, de essentiële aminozuren niet: die moeten uit voedsel komen. Fosfolipiden vormen de membranen, DNA de erfelijke informatie, en tussencelstof geeft weefsels hun samenhang.

Anaerobe dissimilatie

Zonder zuurstof kan de cel glucose maar gedeeltelijk afbreken. De glycolyse splitst het molecuul en levert daarbij een kleine hoeveelheid ATP.

Bij alcoholgisting wordt pyruvaat omgezet in ethanol en koolstofdioxide, bijvoorbeeld door gist. In menselijke spiercellen kan pyruvaat worden omgezet in lactaat, in schooltaal vaak melkzuur genoemd. Daarbij wordt NAD+ teruggevormd zodat de glycolyse kan doorgaan. De netto opbrengst is twee ATP per glucose; veel chemische energie blijft in het eindproduct.

Lactaatvorming neemt vaak toe bij intensieve inspanning, maar kan ook plaatsvinden wanneer zuurstof aanwezig is. Lactaat kan door andere cellen worden gebruikt of in de lever worden verwerkt. Vermoeidheid heeft meerdere oorzaken en is niet uitsluitend het gevolg van lactaat; spierpijn dagen later heeft een andere verklaring.

Aerobe dissimilatie

Mét zuurstof kan de afbraak wél volledig. Na de glycolyse gaat de koolstof de citroenzuurcyclus in en wordt hij helemaal afgesplitst als koolstofdioxide; de waterstof gaat mee met de transporteurs.

In de oxidatieve fosforylering geven die transporteurs hun elektronen af aan een reeks eiwitten. Elke stap laat een beetje energie vrij, en aan het eind vangt zuurstof — de oxidator — de elektronen op. Hier ontstaat verreweg de meeste ATP. Zonder zuurstof aan het eind loopt de hele rij vast, en daarom kan de aerobe route zonder zuurstof niet draaien.

Reactievergelijkingen en elementen

Een reactievergelijking zet de beginstoffen links en de eindproducten rechts, met aan beide kanten evenveel atomen van elk element. De molecuulformule zegt alleen wát er in een molecuul zit, de structuurformule ook hoe het aan elkaar hangt — nodig om stoffen met dezelfde molecuulformule te onderscheiden.

De elementen die je moet kennen zijn er niet veel. Koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof vormen de organische stof; fosfor zit in DNA, ATP en fosfolipiden; calcium, ijzer, kalium, natrium en chloor doen mee aan botten, zuurstoftransport en de prikkelgeleiding.

De verbindingen die telkens terugkomen zijn glucose, water, koolstofdioxide en zuurstofgas — en in de kringlopen ammoniak, nitraat, nitriet, stikstofgas, fosfaat en methaan.

Hoe een enzym werkt

De werking van een enzym berust op vorm. Het substraat bindt aan de actieve plaats. Het sleutel-slotmodel beschrijft de specificiteit; in werkelijkheid kan het enzym bij binding ook van vorm veranderen. Samen vormen ze kort een enzymsubstraatcomplex, waarin de omzetting plaatsvindt; daarna laat het enzym het product los en is het onveranderd klaar voor de volgende.

Verschillende omzettingen vragen verschillende enzymen; sommige enzymen kunnen meerdere verwante substraten omzetten. Of een reactie is verlopen kun je in de praktijk aantonen met een indicator, die door een kleurverandering laat zien of een bepaalde stof aanwezig is.

Temperatuur en pH

Enzymwerking is geen rechte lijn maar een optimumkromme. Bij een lage temperatuur bewegen de moleculen te langzaam en komen enzym en substraat elkaar zelden tegen. Wordt het warmer, dan gaat de reactie sneller — tot het optimum.

Daarboven slaat het om. Sterke hitte of een extreme zuurgraad kan de ruimtelijke vorm verstoren: denaturatie. Daardoor kan de activiteit verloren gaan. Dit is vaak blijvend, maar niet per definitie onomkeerbaar. Een veranderde pH kan de binding of activiteit ook verminderen zonder het eiwit blijvend te denatureren. Elk enzym heeft dan ook zijn eigen optimum: pepsine werkt juist in het zure maagsap, de darmenzymen bij een bijna neutrale pH.

Micro-organismen aan het werk

De stofwisseling van micro-organismen is technisch bruikbaar. Bij fermentatie laat je gisten, bacteriën of schimmels op grote schaal een omzetting doen: brood, bier, yoghurt, kaas, en ook antibiotica en enzymen voor de industrie.

Met recombinant-DNA-technologie ga je een stap verder. Je brengt een gen van een ander organisme in — vaak met een plasmide als vervoermiddel — zodat de bacterie een eiwit gaat maken dat hij van zichzelf niet maakt. Zo wordt bijvoorbeeld menselijke insuline geproduceerd.

Fotosynthese maakt autotroof

Een plant hoeft geen organische stof te eten: hij maakt hem zelf. Met koolstofassimilatie bouwt hij uit koolstofdioxide en water glucose, met licht als energiebron en zuurstof als bijproduct.

Dat is wat een organisme autotroof maakt, en het is de reden dat producenten aan het begin van elke voedselketen staan. Veel ecosystemen krijgen hun energie op deze manier binnen. Er bestaan ook ecosystemen waarvan de producenten energie uit chemische reacties halen.

Voorwaarden voor fotosynthese

Fotosynthese heeft licht, koolstofdioxide, water en een geschikte temperatuur nodig, plus chlorofyl om het licht op te vangen.

Ontbreekt er één, dan stopt het proces — hoe ruim de rest ook aanwezig is. Dat is het principe van de beperkende factor: de snelheid wordt bepaald door datgene waar op dat moment het meeste tekort aan is. In een kas is dat vaak koolstofdioxide, en daarom wordt dat er bijgedoseerd.

Waarom fotosynthese de basis is

De glucose uit de fotosynthese is het startpunt voor al het andere. In de voortgezette assimilatie wordt hij omgebouwd tot zetmeel, cellulose, vetten en eiwitten — het materiaal waar de plant zelf uit bestaat.

En hij is de brandstof voor de dissimilatie, waarmee de plant zijn eigen energie levert. Een plant ademt dus gewoon, dag en nacht; bij voldoende licht kan de fotosynthese de dissimilatie overtreffen, zodat er netto zuurstof wordt afgegeven. Bij weinig licht hoeft dat niet zo te zijn.

Transport in de plant

Een plant heeft twee transportstelsels met verschillende stoffen en aandrijvende processen.

De houtvaten voeren water met opgeloste zouten omhoog, van wortel naar blad: de anorganische sapstroom. Het begint bij de wortelharen, die het opnameoppervlak enorm vergroten. Worteldruk duwt van onderaf, maar de grootste kracht komt van boven: verdamping via de huidmondjes trekt de waterkolom omhoog. Dat lukt doordat watermoleculen elkaar vasthouden (cohesiekracht) en aan de vaatwand plakken (adhesiekracht), zodat de kolom niet afbreekt.

De bastvaten vervoeren assimilaten, vooral suikers, van een bron naar een bestemming waar zij worden gebruikt of opgeslagen. Een bron kan een fotosynthetiserend blad of een reserveorgaan zijn. Bestemmingen zijn bijvoorbeeld groeiende scheuten, vruchten en wortels. Transport kan dus omhoog of omlaag gaan, in verschillende zeefbuizen; de baststroom is geen vaste tegenrichting van de houtstroom.

Gaswisseling bij planten

Een plant wisselt gassen uit via de huidmondjes: openingen tussen twee sluitcellen in de opperhuid van het blad. Staan ze open, dan kan koolstofdioxide naar binnen en zuurstof en waterdamp naar buiten.

De netto richting hangt af van de balans tussen fotosynthese en dissimilatie. In het licht overheerst de fotosynthese: er gaat netto koolstofdioxide in en zuurstof uit. In het donker loopt alleen de dissimilatie door en draait het om. Op het compensatiepunt zijn beide processen even snel en is er netto geen uitwisseling.