Stofwisseling in de cel

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.

Fotosynthese in de chloroplast

In de chloroplast, met zijn stapels membranen vol chlorofyl, verloopt de fotosynthese in twee delen.

De lichtreactie heeft licht nodig. Chlorofyl neemt vooral blauw en rood uit het elektromagnetisch spectrum op — groen kaatst het terug, en daarom zien we het blad groen. Met die energie wordt water gesplitst: er komt zuurstof vrij en er ontstaan ATP en NADPH.

De koolstofassimilatie gebruikt ATP en NADPH om CO₂ vast te leggen in kleine organische moleculen, waaruit onder meer glucose kan worden opgebouwd. Deze reacties worden vaak donkerreacties genoemd. Licht is daar niet direct voor nodig, al stopt het proces wel als de lichtreactie stilvalt. Samen heet dat C-assimilatie: koolstof vastleggen in organische stof.

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 en chemosynthese

Beide processen leggen koolstof vast in organische stof, en beide maken hun organisme autotroof. Het verschil zit in de energiebron.

De fotosynthese gebruikt licht. De chemosynthese haalt de energie uit anorganische reacties, bijvoorbeeld uit de omzetting van zwavel- of stikstofverbindingen. Dat betekent dat chemosynthetiserende bacteriën in het volslagen donker kunnen leven — in de bodem, en bij bronnen op de diepzeebodem waar hele levensgemeenschappen op draaien.