Assimilatie en dissimilatie

De stofwisseling van een organisme bestaat uit een aantal chemische processen. We kunnen deze onderverdelen in twee grote processen: assimilatie en dissimilatie. Maar hoe werken deze processen precies? Op deze pagina lees je alles over assimilatie en dissimilatie.

Assimilatie

Assimilatie heeft te maken met opbouw: organische moleculen worden opgebouwd uit kleinere moleculen. Organische stoffen zijn stoffen die koolstof-waterstofbindingen (C-H) bevatten, bijvoorbeeld glucose (C₆H₁₂O₆).

Twee belangrijke assimilatieprocessen zijn:

1. Koolstofassimilatie, oftewel fotosynthese
2. Voortgezette assimilatie

Deze zullen hieronder worden uitgelegd. Maar kijk vooral ook eerst even onderstaande uitlegvideo over assimilatie.

 

Koolstofassimilatie/fotosynthese

Planten en sommige bacteriën kunnen stoffen opbouwen door koolstofassimilatie. Een plant gebruikt zonne-energie om uit water en koolstofdioxide, voedingsstoffen zoals glucose op te bouwen. Dit proces wordt ook wel fotosynthese genoemd.

Voortgezette assimilatie

Mensen kunnen echter geen glucose uit water en koolstofdioxide opbouwen. Daarom worden bij mensen en andere organismen voedingsstoffen opgebouwd door middel van voortgezette assimilatie.

Bij voortgezette assimilatie worden uit glucose-moleculen, grotere organische stoffen opgebouwd. Uit deze glucose-moleculen kunnen de bouwstenen van koolhydraten, eiwitten en vetten worden opgebouwd. De bouwstenen van koolhydraten zijn sachariden. De bouwstenen van eiwitten zijn aminozuren. De bouwstenen van vetten zijn glycerol en vetzuren.

Om uit glucose-moleculen deze verschillende bouwstenen te vormen is energie nodig. De belangrijkste energiebron in het lichaam is ATP. Je kunt ATP vormen uit ADP en fosfaat: ADP + P_i --> ATP.

Wanneer je energie nodig hebt, wordt ATP afgebroken, waardoor de energie weer vrijkomt uit het molecuul. ATP is dus een energiedrager: het molecuul kan tijdelijk vrijgekomen energie opslaan. Bij voortgezette assimilatie wordt dus ATP omgezet in ADP, waardoor energie vrijkomt die wordt gebruikt voor de opbouw. Door de afbraak van ATP wordt de vrijgekomen energie gebruikt om van de glucose-moleculen de bouwstenen van bijvoorbeeld koolhydraten te maken.

Dissimilatie

Dissimilatie heeft te maken met afbraak: organische stoffen worden weer afgebroken. Hier komt energie bij vrij, die vervolgens weer wordt gebruikt om assimilatieprocessen te laten verlopen. De opbouw van stoffen kost dus energie (assimilatie) en de afbraak van stoffen levert energie op (dissimilatie).

De twee belangrijke dissimilatieprocessen zijn:

1. Aerobe dissimilatie
2. Anaerobe dissimilatie

Deze zullen hieronder worden uitgelegd. Maar kijk vooral eerst even onderstaande uitlegvideo over dissimilatie.

 

Aerobe dissimilatie

Aeroob betekent dat de afbraakreactie afhankelijk is van zuurstof. Dit wordt ook wel verbranding genoemd, want bij elke verbranding is zuurstof aanwezig in de reactievergelijking. Bij aerobe dissimilatie worden er dus organische moleculen afgebroken, waardoor energie vrijkomt voor de assimilatie en andere levensprocessen. Meestal is dit organische molecuul glucose. De aerobe dissimilatie van glucose zorgt voor een volledige afbraak in water- en koolstofdioxidemoleculen. De reactievergelijking van de aerobe dissimilatie van glucose is:

C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 6 O₂ --> 6 CO₂ + 12 H₂O + energie

De aerobe dissimilatie van glucose wordt dus volledig afgebroken in koolstofdioxide, water en energie (ATP). Dit gebeurt in 4 belangrijke stappen:

1. Glycolyse
2. Decarboxylering
3. Citroenzuurcyclus
4. Oxidatieve fosforylering

Glycolyse

De aerobe dissimilatie begint bij de glycolyse. Glycolyse is het proces dat 1 glucose-molecuul omzet in 2 pyrodruivenzuur moleculen. Dit gebeurt met behulp van speciale enzymen in het cytoplasma. Bij glycolyse komt energie vrij: er wordt immers glucose afgebroken naar de pyrodruivenzuren. De energie komt vrij in de vorm van 2 ATP en ook in 2 NADH. NADH is de geoxideerde vorm van NAD⁺. NAD⁺ is een co-enzym die makkelijk waterstof kan binden en weer afstaan. De twee NADH die in de glycolyse worden gevormd zijn belangrijk voor de oxidatieve fosforylering.

De glycolyse heeft als netto opbrengst de eindproducten: 2 pyrodruivenzuren + 2 ATP + 2 NADH.

Decarboxylering

De 2 pyrodruivenzuren in het cytosol moeten nu worden omgezet naar het product acetyl-CoA in de decarboxylering.  Aangezien de volgende stap (de citroenzuurcyclus) plaatsvindt in de mitochondriën, moeten de pyrodruivenzuren van het cytosol naar de mitochondriën worden verplaatst. Deze verplaatsing kost 2 ATP moleculen. Bij binnenkomst in de mitochondriën vindt de decarboxylering plaats: er wordt een CO₂-groep van beide pyrodruivenzuren afgesplitst. Daarna wordt er aan het eindproduct het co-enzym HS-CoA gekoppeld, wat het product acetyl-CoA oplevert. Deze reactie levert 1 NADH op. Hierna wordt het acetyl-CoA meteen samengevoegd in de beginstap van de citroenzuurcyclus.

Citroenzuurcyclus

In de citroenzuurcyclus wordt het gevormde acetyl-CoA samengevoegd met oxaloacetaat tot citroenzuur. Hier is de naam van de cyclus dan ook op gebaseerd. Hierna volgen er verschillende afbraakstappen om de acetylgroep af te breken in koolstofdioxide. Er komt energie vrij bij deze afbraakstappen. De energie die vrijkomt wordt net zoals bij de glycolyse opgevangen door elektronen-acceptoren zoals NAD⁺ en FAD. De citroenzuurcyclus levert per afgebroken acetylgroep 3 NADH + 1 FADH₂ + ATP op. Aangezien uit één glucose-molecuul, twee pyrodruivenzuren en dus twee acetyl-CoA moleculen ontstaan moet de citroenzuurcyclus twee maal worden doorlopen.

Oxidatieve fosforylering

De laatste stap van de aerobe dissimilatie is de oxidatieve fosforylering. De gevormde energierijke NADH en FADH₂-moleculen gaan hun elektronen afgeven aan verschillende elektronen-acceptoren in het binnenmembraan van de mitochondriën, de elektronentransportketen. Als de elektronen door worden gegeven tussen deze elektronen-acceptoren in het membraan komt er energie vrij. Deze energie wordt gebruikt om protonen te pompen van de matrix naar de tussenmembraanruimte. Hierdoor ontstaat er een hoge concentratie van protonen aan de matrixkant, en dus een protonen-concentratieverschil oftewel een protonengradiënt.

Deze protonengradiënt wordt gebruikt als energiebron voor het enzym ATP-synthase. ATP-synthase zet ADP om in ATP. Als NADH elektronen afgeeft aan de elektronentransportketen, dan kan daar uiteindelijk 3 ATP uit worden gevormd. Per FADH wordt er door de oxidatieve fosforylering 2 ATP gevormd.

Na al deze deelstappen is het glucose-molecuul volledig verbrand in koolstofdioxide, water en zijn er veel ATP-moleculen gemaakt!

Een glucose-molecuul aeroob afbreken levert dus:

Glycolyse = 2 ATP + 2 NADH (= 6 ATP)
Decarboxylering = 2 NADH (= 6 ATP) – 2 ATP
Citroenzuurcyclus = 6 NADH (= 18 ATP) + 2 FADH (= 4 ATP) + 2 ATP
--> alle gevormde NADH’s en FADH’s worden bij de oxidatieve fosforylering gebruikt en ontstaat er dus ATP.

De totale aerobe dissimilatie levert dus per glucose-molecuul netto 36 ATP op!

 

Anaerobe dissimilatie

Anaeroob betekent dat de afbraakreacties onafhankelijk zijn van zuurstof. De reacties vinden dus plaats zonder zuurstof te gebruiken. De anaerobe dissimilatie van koolhydraten wordt ook wel gisting genoemd. Er kunnen twee typen gistingen plaatsvinden:

1. Melkzuurgisting
2. Alcoholgisting

Melkzuurgisting

Aangezien er geen zuurstof aanwezig is, wordt het glucose-molecuul nu niet volledig afgebroken via de vier stappen glycolyse, decarboxylering, citroenzuurcyclus en de oxidatieve fosforylering. De glucose wordt bij de melkzuurgisting eerst tot 2 pyrodruivenzuren afgebroken, dus de glycolyse wordt wel doorlopen. Daarna worden de twee pyrodruivenzuren omgezet in melkzuur. Dit melkzuur zorgt voor bijvoorbeeld verzuring in de spieren wanneer je aan het sporten bent. Doordat er veel glucose wordt verbruikt als je aan het sporten bent en er soms te weinig zuurstof wordt opgenomen, schakelt je lichaam over naar de melkzuurgisting in plaats van de aerobe dissimilatie. Hierdoor kun je zelfs met weinig zuurstof alsnog energie leveren.

Alcoholgisting

In de alcoholgisting wordt de glycolyse ook doorlopen. Hierna worden de twee pyrodruivenzuren eerst afgebroken tot 2 ethanal-moleculen. Daarna worden deze omgezet naar twee ethanol-moleculen.

Bij beide gistingprocessen wordt er aanzienlijk minder ATP geleverd. Sinds alleen de glycolyse wordt doorlopen en de NADH-moleculen al worden gebruikt in de gistingprocessen, blijft er maar 2 ATP over. Als je dit vergelijkt met de 36 ATP van de aerobe dissimilatie, snap je een stuk beter waarom jij zuurstof nodig hebt!