METABOLE ENERGIE: SOORTEN, BRONNEN EN TRANSFORMATIE - BIOLOGIE - 2025

De metabolische energie is de energie die alle levende wezens halen uit de chemische energie die in voedsel (of voedingsstoffen) zit. Deze energie is in principe hetzelfde voor alle cellen; de manier om het te verkrijgen is echter zeer divers.

Voedsel bestaat uit een reeks biomoleculen van verschillende typen, waarin chemische energie is opgeslagen in hun banden. Op deze manier kunnen organismen profiteren van de energie die is opgeslagen in voedsel en deze energie vervolgens gebruiken in andere metabolische processen.

Alle levende organismen hebben energie nodig om te groeien en zich voort te planten, hun structuren te behouden en op de omgeving te reageren. Metabolisme omvat de chemische processen die het leven ondersteunen en die organismen in staat stellen om chemische energie om te zetten in bruikbare energie voor cellen.

Bij dieren breekt het metabolisme koolhydraten, lipiden, eiwitten en nucleïnezuren af ​​om chemische energie te leveren. Planten zetten op hun beurt lichtenergie van de zon om in chemische energie om andere moleculen te synthetiseren; ze doen dit tijdens het fotosyntheseproces.

Soorten metabolische reacties

Metabolisme omvat verschillende soorten reacties die in twee brede categorieën kunnen worden gegroepeerd: de afbraakreacties van organische moleculen en de synthesereacties van andere biomoleculen.

Metabole afbraakreacties vormen cellulair katabolisme (of katabole reacties). Hierbij gaat het om de oxidatie van energierijke moleculen, zoals glucose en andere suikers (koolhydraten). Omdat deze reacties energie vrijgeven, worden ze exergonisch genoemd.

Daarentegen vormen synthesereacties cellulair anabolisme (of anabole reacties). Deze voeren processen uit waarbij moleculen worden gereduceerd om andere te vormen die rijk zijn aan opgeslagen energie, zoals glycogeen. Omdat deze reacties energie verbruiken, worden ze endergonisch genoemd.

Bronnen van metabolische energie

De belangrijkste bronnen van metabolische energie zijn glucosemoleculen en vetzuren. Deze vormen een groep biomoleculen die snel kunnen worden geoxideerd voor energie.

Glucosemoleculen zijn voornamelijk afkomstig van koolhydraten die via de voeding worden ingenomen, zoals rijst, brood, pasta en andere derivaten van zetmeelrijke groenten. Als er weinig glucose in het bloed zit, kan het ook worden verkregen uit glycogeenmoleculen die in de lever zijn opgeslagen.

Bij langdurig vasten, of bij processen die extra energie verbruiken, is het nodig om deze energie te halen uit vetzuren die uit vetweefsel worden gemobiliseerd.

Deze vetzuren ondergaan een reeks metabole reacties die ze activeren en hun transport naar het binnenste van de mitochondriën mogelijk maken, waar ze zullen worden geoxideerd. Dit proces wordt β-oxidatie van vetzuren genoemd en levert onder deze omstandigheden tot 80% extra energie op.

Eiwitten en vetten zijn de laatste reserve om nieuwe glucosemoleculen te synthetiseren, vooral in gevallen van extreem vasten. Deze reactie is van het anabole type en staat bekend als gluconeogenese.

Proces van omzetting van chemische energie in metabolische energie

Complexe voedselmoleculen zoals suikers, vetten en eiwitten zijn rijke energiebronnen voor cellen, omdat veel van de energie die wordt gebruikt om deze moleculen te maken, letterlijk wordt opgeslagen in de chemische bindingen die ze bij elkaar houden.

Wetenschappers kunnen de hoeveelheid energie die in voedsel is opgeslagen, meten met behulp van een apparaat dat een bomcalorimeter wordt genoemd. Met deze techniek wordt het voedsel in de calorimeter geplaatst en verwarmd tot het brandt. De overtollige warmte die vrijkomt bij de reactie is recht evenredig met de hoeveelheid energie in het voedsel.

De realiteit is dat cellen niet functioneren als calorimeters. In plaats van energie te verbranden in één grote reactie, geven cellen de energie die is opgeslagen in hun voedselmoleculen langzaam vrij door een reeks oxidatiereacties.

Oxidatie

Oxidatie beschrijft een type chemische reactie waarbij elektronen worden overgedragen van het ene molecuul naar het andere, waardoor de samenstelling en energie-inhoud van de donor- en acceptormoleculen verandert. Moleculen in voedsel werken als elektronendonor.

Tijdens elke oxidatiereactie die betrokken is bij de afbraak van voedsel, heeft het product van de reactie een lagere energie-inhoud dan het donormolecuul dat eraan voorafging op het pad.

Tegelijkertijd vangen de elektronenacceptormoleculen een deel van de energie op die tijdens elke oxidatiereactie uit het voedingsmolecuul verloren gaat en slaan deze op voor later gebruik.

Uiteindelijk, wanneer de koolstofatomen in een complex organisch molecuul volledig geoxideerd zijn (aan het einde van de reactieketen), komen ze vrij als kooldioxide.

Cellen gebruiken de energie van oxidatiereacties niet zodra deze vrijkomt. Wat er gebeurt, is dat ze het omzetten in kleine, energierijke moleculen, zoals ATP en NADH, die door de hele cel kunnen worden gebruikt om het metabolisme te stimuleren en nieuwe cellulaire componenten te bouwen.

Stand-by vermogen

Wanneer energie overvloedig is, creëren eukaryote cellen grotere, energierijke moleculen om deze overtollige energie op te slaan.

De resulterende suikers en vetten worden vastgehouden in afzettingen in cellen, waarvan sommige groot genoeg zijn om zichtbaar te zijn op elektronenmicroscoopfoto's.

Dierlijke cellen kunnen ook vertakte polymeren van glucose (glycogeen) synthetiseren, die op hun beurt aggregeren tot deeltjes die kunnen worden waargenomen met elektronenmicroscopie. Een cel kan deze deeltjes snel mobiliseren wanneer hij snelle energie nodig heeft.

Onder normale omstandigheden slaan mensen echter voldoende glycogeen op om een ​​dag energie te leveren. Plantencellen produceren geen glycogeen, maar maken in plaats daarvan verschillende glucosepolymeren aan die bekend staan ​​als zetmelen, die worden opgeslagen in korrels.

Bovendien besparen zowel plantaardige als dierlijke cellen energie door glucose om te leiden in de vetsyntheseroutes. Een gram vet bevat bijna zes keer de energie van dezelfde hoeveelheid glycogeen, maar de energie uit vet is minder beschikbaar dan die uit glycogeen.

Toch is elk opslagmechanisme belangrijk omdat cellen zowel energiereserves op korte als op lange termijn nodig hebben.

Vetten worden in druppeltjes opgeslagen in het cytoplasma van cellen. Mensen slaan over het algemeen genoeg vet op om hun cellen wekenlang van stroom te voorzien.

Referenties

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Moleculaire biologie van de cel (6e ed.). Garland Science.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemie (8e ed.). WH Freeman and Company
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologie (2e ed.) Pearson Education.
4. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Moleculaire celbiologie (8e ed.). WH Freeman and Company.
5. Purves, W., Sadava, D., Orians, G. & Heller, H. (2004). Life: the science of biology (7e ed.). Sinauer Associates en WH Freeman.
6. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologie (7e ed.) Cengage Learning.
7. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (5e ed.). Wiley.