5V-3 Energie

In dit hoofdstuk Energie duiken voor leerlingen problemen op. Deze problemen zijn enerzijds terug te voeren op het niet kunnen overzien van (examen)doelen en anderzijds op het feit dat de schrijver van dit hoofdstuk (een schrijversteam verzorgt dit boek) de onduidelijk gestelde eisen van het ministerie zo ruim mogelijk heeft trachten te dekken. Het nare is dat de leerling, maar ook de begeleidende docent, meer dan het vereiste moet verwerken.

Inmiddels is in deze materie enige klaarheid gekomen. Het ligt dan ook voor de hand, zoals de laatste kwarteeuw is gebleken wat dit onderwerp betreft, de minimum-eisen om een eind-examen met goed gevolg af te leggen, hier te deponeren. Mijn taalgebruik zal zijn alsof de leerling scheikundig nauwelijks geschoold is. Daarentegen zal de geschoolde soms ontdekken dat de waarheid enig geweld wordt aangedaan. Het zij zo. Kijk ter geruststelling bij de stofomschrijving ofwel de ministeriële interpretatie en de doelstellingen 4 en 5 op p.141 en 142 van hoofdstuk 5V-3. Let wel dat men daar een slag om de arm houdt door de toevoeging "Ook moet je uitgebreide reactieketens hiervan kunnen interpreteren." Het maken van de vragen in de diagnostische toets betreffende dit onderwerp moeten je zeker overtuigen.

Fotosynthese

De fotosynthese is een bijzonder geval van assimilatie. Onder assimilatie verstaan we het maken van stoffen tot lichaamseigen stoffen (Lat. similis 'gelijk', vgl. Eng. similar; assimilis 'aan jezelf gelijk maken'.). Welnu dat kunnen planten als de beste, zij zijn in staat stoffen die in organismen niet natuurlijkerwijs voor hoeven komen, de zgn. anorganische stoffen, zoals water en koolstofdioxide, om te zetten in lichaamseigen stoffen, zoals koolhydraten, eiwitten en vetten, de organische stoffen, stoffen die je normaliter alleen in organismen kunt verwachten.

Het maken, de synthese, van deze stoffen kost energie. Je gaat immers van kleine moleculen naar grotere, complexere moleculen. Als deze energie wordt geleverd door het (zon)licht dan spreken we van fotosynthese (Gr. phos 'licht'; vgl. fosforesceren - (zacht)lichtgeven; fotografie - tekenen met licht), echter als de energiebron chemisch van aard is, dan spreken we van chemosynthese.

In de eerste stappen van de synthese gaat het steeds om het maken van koolstofverbindingen en als we dat ook tot uitdrukking brengen, dan krijgen we van die chique termen als fotosynthetische koolstofassimilatie en chemosynthetische koolstofassimilatie.

Fotosynthese

In de fotosynthese onderscheiden we grofweg twee grote stappen. Enerzijds al die reacties die het gevolg zijn van de werking van het licht, de lichtreacties, waarna met de producten hieruit in een volgende cyclus van stappen glucose wordt gemaakt, de donkerreacties, zo genoemd omdat bij deze reacties de lichtenergie als zodanig niet meer nodig is.

De beide voorgaande, vetgedrukte termen zijn verouderde termen, maar in schoolboeken nog steeds in gebruik. Het ware nu beter de lichtreacties fotosynthetische elektronen-transferreacties en de donkerreacties de koolstofdioxide fixatie-reacties te noemen.

Lichtreacties
Bij de lichtreacties wordt de lichtenergie allereerst ingevangen door zogenaamde antenne-moleculen. Dit zijn enkele honderden bladgroen- of chlorofylmoleculen. Zij leiden de energie in de vorm via aangeslagen (of beter gezegd resonerende) elektronen naar eiwitcomplexen in de bladgroenkorrelmembranen, de zogenaamde fotochemische reactiecentra. Die reactiecentra verliezen daardoor energierijke elektronen, welke weer vanuit het alom tegenwoordige water in de cel worden aangevuld; water is hier de waterstof/elektronendonor. Het water wordt daartoe gesplitst in een proces dat we fotolyse noemen. Zuurstof wordt daarbij uitgescheiden.

De energie uit de elektronen wordt aangewend om daarmee het ATP, de 'energiebewaarmolecules' samen te stellen. De dan resterende energie-arme elektronen en de waterstofionen (= protonen uit de fotolyse) worden 'bewaard' in het NADP, de waterstofbewaarmolecules.

Met hn wordt de energie in het licht weergegeven. De letter h stelt de constante van Planck voor en n de frequentie (i.c. de kleur) van het licht dat in het trapping center (invangcentrum) wordt verwerkt.
In de figuur hiernaast is met een sterretje (asterisk) aangegeven waar achtereenvolgens de energie zich bevindt, dus eerst in het licht, dan in de elektronen en vervolgens in het ATP.
De eindproducten van de lichtreacties zijn (rood onderstreept): zuurstof, ATP en NADPH2. Opzettelijk is in de vergelijkingen gekozen voor 24 elektronen om zo aan de bekende bruto-reactie (zie hierna) te voldoen. Samengevat:

12 H2O ® 24 H+ + 6 O2 + 24 e

12 NADP + 24 H+ + 24 e ® 12 NADPH2

x ADP + x Pi ® x ATP

Losse fosfaat-ionen van fosforzuurmoleculen H3PO4 worden aangeduid met Pi (Eng. inorganic phosphate 'anorganisch fosfaat').
NB. Per 24 elektronen worden x ATP gevormd. Niet alle planten hebben een even effectief fotosynthesesysteem, vandaar een x aantal ATP's.

De donkerreacties
Donkerreacties, een zeldzaam ongelukkig gekozen terminologie. Massa's leerlingen denken daarbij dat deze reacties dan ook in het donker moeten verlopen. Niets is minder waar! Deze reacties hebben weliswaar geen licht als drijvende kracht nodig, maar wel de producten ATP en NADPH2 uit de lichtreacties. Stopt de lichtreactie of stoppen de lichtreacties door gebrek aan licht, dan stopt een fractie later, wanneer de resterende ATP en NADPH2 verbruikt zijn, de cyclus van donkerreacties ook.

De cyclus van donkerreacties is vernoemd naar de ontdekker Calvin, de calvincyclus. Deze komt in het kort hierop neer:

6 CO2 + 12 NADPH2 + x ATP ®

C6H12O6 + 6 H2O + 12 NADP + x ADP + x Pi

We kunnen nu een optelsom maken om zo te komen tot een bruto-reactievergelijking. Uit deze vergelijking zijn de carriers (de waterstof/elektronendragers en de energiedragers) weggelaten. We krijgen dan:

lichtenergie    
6 CO2 + 12 H2O    ®    C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2
bladgroen    

De watermoleculen mogen in deze brutovergelijking niet tegen elkaar worden weggestreept, ze smaken weliswaar hetzelfde, maar hun oorsprong is verschillend.
Dat is mooi in te zien aan de hand van het volgende voorbeeld. Bepaalde bacteriën, de fotopurperbacteriën die een paarsrood pigment bezitten, gebruiken H2S in plaats van H2O als waterstofdonor voor de fotosynthese. Voor het overige verloopt bij deze bacteriën de fotosynthese op dezelfde wijze als bij planten die H2O als waterstofdonor gebruiken.

Wenst men NADP te schrijven als NADP+ en NADPH2 als NADPH + H+, hetgeen ontegenzeggelijk correcter is, ga je gang, dat de materie er niet direct inzichtelijker op wordt is zeker. Tot nu toe is dit nog in geen enkel eindexamen aan de orde geweest.

Redoxreacties
Wel is aan de orde geweest of CO2 in de donkerreacties tot C6H12O6 wordt geoxideerd of gereduceerd, waarbij het laatste, reductie, juist is.
Een klein exposé ten aanzien van deze begrippen.
Oxideren is het zich verbinden met zuurstof (oxygenium) en als het aantal zuurstofatomen in verbinding afneemt noemt men dat reduceren. Alras kwam men tot de ontdekking dat het toenemen van het aantal atomen O in een verbinding vaak gepaard gaat met de afname van het aantal H in die verbinding. Dit had tot gevolg dat men het begrip oxidatie ruimer ging interpreteren en ook afname van het aantal H als oxidatie betitelde en analoog toename van het aantal H als reductie.
Vervolgens bleek dat in deze reductie- en oxidatie-reacties, welke altijd paarsgewijs moeten voorkomen en daarom redox-reacties heten, ook sprake was van een elektronentransfer. Bij oxidatie staat het molecule elektronen af en bij reductie neemt het molecule elektronen op.
Bijgevolg kunnen we het volgende schema opstellen, waarin alle reactie naar rechts oxidaties zijn en alle reacties naar links reducties.

oxidatie
®  ®  ®
CH4   «   C   «   CO2
Fe2+   «   Fe3+  +  e
¬  ¬  ¬
reductie

Dissimilatie

De stofwisseling (metabolisme) is te splitsen in een opbouwstofwisseling (anabolisme) en een afbraakstofwisseling (katabolisme). Beide termen worden meer en meer verdrongen door respectievelijk assimilatie en dissimilatie.
Bij de dissimilatie worden organische stoffen, bijv. glucose, afgebroken tot kleinere, eventueel anorganische stoffen. Hier is de uitdrukking 'aan jezelf ongelijk maken' op zijn plaats.
De energie die tijdens de assimilatie in deze organische stoffen is gestoken kan er tijdens de dissimilatie 'deels nuttig' weer worden uitgehaald. Het andere deel gaat onherroepelijk als warmte verloren, ofschoon dat deel in warmbloedige organismen nuttig kan zijn.

Bij de dissimilatie wordt glucose in het grondplasma of cytosol, dat is het cytoplasma buiten de mitochondriën, in een serie stappen opengebroken tot twee moleculen pyrodruivenzuur (a-ketopropionzuur) en dit levert netto een energie die voldoende is voor de productie van twee moleculen ATP.
Om in het navolgende de vergelijkingen kloppend te krijgen, moet je steeds als 1e de C-atomen tellen, vervolgens de O-atomen en dan de H-atomen. Kom je O-atomen tekort, dan betrek je deze uit water. Hou je H-atomen over, dan berg je deze op in de waterstof/elektronencarrier, het 'waterstofbewaarmolecuul' NAD.

Waarom voor de dissimilatieprocessen NAD wordt gebruikt en voor de assimilatieprocessen NADP is enerzijds een evolutionair gegeven, anderzijds heel begrijpelijk, want er moeten twee groepen van elektronentransferreacties onafhankelijk van elkaar bijgeregeld of bijgestuurd kunnen worden. Tussen de twee systemen mag absoluut geen verwarring ontstaan.
De onderste fosfaatgroep ontbreekt bij NAD+ (geoxideerde vorm) en NADH (gereduceerde vorm) (zie fig.). In het gele vlakje in het midden staat de overdracht van een zogenaamd hydride-ion, de combinatie van een proton, H+, en twee elektronen. Dit ter volledigheid. Vanaf nu spreek ik omwille van de eenvoud uitsluitend over NAD en NADH2.

Dit openbreken van glucose tot twee moleculen pyrodruivenzuur heet glycolyse (Gr. glykys 'zoet'; lysis 'losmaking'; voor de y mag je ook een u schrijven, vandaar dat de ene schrijfwijze met u is en de andere met y). Als je druivensuiker (glucose) met vuur (Gr. pyr) verhit krijg je ook deels pyrodruivenzuur; vandaar de naam.
De glycolyse is een proces dat anaëroob (dus zonder toevoer van zuurstof) kan verlopen.
In schema:

Nu de telling compleet maken:
6 C's in glucose en 2 x 3 C's in pyrodruivenzuur - klopt.
6 O's in glucose en 2 x 3 O's in pyrodruivenzuur - klopt.
12 H's in glucose en 2 x 4 H's in pyrodruivenzuur - 4 H's over. Deze worden opgeborgen in twee waterstofbewaarmoleculen:
levert 2 NADH2.
Het openbreken van glucose tot pyrodruiverzuur
levert netto 2 ATP.

Het pyrodruivenzuur wordt een mitochondrium (strakke buiten- en gegolfde binnenmembraan in rood) ingesluisd en wordt daar omgezet in azijnzuur en CO2. Het proces van uitbreken van CO2 uit pyrodruivenzuur heet decarboxylatie. Het negatieve ion van azijnzuur heet de acetyl-groep (officieel ethanoylgroep); de zouten van azijnzuur heten acetaten.

Eerst de telling weer completeren.
In de beide pyrodruivenzuurmoleculen zitten 6 C's en in de beide azijnzuurmoleculen en de beide CO2's zitten er ook 6, dus dat klopt.
Nu de O's tellen. In de beide pyrodruivenzuurmoleculen zitten er 6 en in de beide azijnzuurmoleculen en de beide CO2's zitten er 8. O's worden steeds aangevuld vanuit water, dus vandaar dat er twee watermoleculen worden toegevoegd.
Als laatste de H's tellen. In de beide pyrodruivenzuurmoleculen zitten er 8 en in de beide azijnzuurmoleculen + de beide watermoleculen zitten er samen 12. We houden vier H's over en die worden opgeslagen in 2 NAD's die daarmee 2 NADH2 worden.

Het azijnzuur wordt gekoppeld aan een "activerend begeleidingsmolecuul", het coenzym-A; de combinatie heet acetyl-coënzym A of kortweg acetyl-CoA. Voor de telling doet dit activeringsmolecuul er niet toe.
In een cyclus van stappen (= Krebs- ofwel citroenzuur-cyclus) worden de twee "geactiveerde azijnzuurmoleculen" afgebroken tot 4 CO2. Dat dit afbreken gebeurt op de rug van een andere 4C-verbinding (i.e. oxaalazijnzuur) is voor de telling ook niet van belang.

Eerst de C-atomen! In de beide azijnzuurmoleculen komen vier C's voor en die zitten ook in de vier CO2's. Klopt.
Nu de O-atomen! In de beide azijnzuurmoleculen zitten 4 O's en in de vier kooldioxidemoleculen zitten er 8, dus moeten er vier uit watermoleculen komen en dat is in het schema aangegeven.
Vervolgens de H-atomen tellen! De beide azijnzuurmoleculen leveren er 8 en de vier watermoleculen ook nog eens 8, terwijl er in de vier kooldioxide geen zitten. Kortom we houden 16 H-atomen over die we opbergen in 8 NAD en dat levert 8 NADH2.

De decarboxylaties hebben in de mitochondriën geen ATP geleverd, maar we hebben inmiddels wel de beschikking over 12 NADH2, de som van (1), (2) en (3) in het schema. De waterstof hierin is een ideale "brandstof" om via een aantal oxidatiestappen met zuurstof te koppelen tot water. Drie stappen in deze oxidatie zijn voldoende groot om uit ADP en Pi een ATP te laten ontstaan. In vakjargon zeggen we dat ADP tot ATP wordt gefosforyleerd. In combinatie met het oxideren van waterstof tot water spreken we van oxidatieve fosforylering.
Het rendement van deze ATP-productie is dermate goed dat stadsbussen die op waterstofgas rijden hier nog een puntje aan kunnen zuigen.
N.B.: Bedenk wel dat in dit vereenvoudigd schema de overdracht van een H betekent:

overdracht van H+ en e,

om een en ander toch in overeenstemming te krijgen met fig. 41 op p. 117.

Als we nu al onze hulpmoleculen (energie- en waterstof/electronencarriers) weglaten, dan kunnen we een brutoreactievergelijking opstellen:

C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2    ®    6 CO2 + 12 H2O

De watermoleculen mogen in deze brutovergelijking niet tegen elkaar worden weggestreept, ze smaken weliswaar hetzelfde, maar hun oorsprong is verschillend. Deze opmerking plaatste ik ook al hierboven bij de fotosynthese.

Mitochondriën zijn toch zeer efficiënte "endosymbionten" want zie:
alleen de glycolyse in het grondplasma:    2 ATP
met de efficiëntie van de mitochondriën: 36 ATP
                                        een totaal van 38 ATP.

Hou deze getallen aan voor de toetsen, tenzij nadrukkelijk iets anders gevraagd wordt!

Kanttekeningen

Omwille van de uitvoerigheid van het boek en omwille van de werkelijke toedracht moet ik wel een aantal kanttekening plaatsen.

De officiële telling:

Glycolyse: glucose naar pyrodruivenzuur (in de cytosol)

- 1 ATP bij de fosforylatie van glucose
- 1 ATP bij de fosforylatie van fructose-6-fosfaat
+ 2 ATP bij de defosforylatie van 2 moleculen glycerinezuur-1,3 difosfaat
+ 2 ATP bij de defosforylatie van 2 moleculen enolpyrodruivenzuur-2-fosfaat
2 NADH2 worden gevormd bij de oxidatie van 2 moleculen glyceraldehyde-3-fosfaat (BINAS)

Omzetting van pyrodruivenzuur naar acetyl-CoA (in de mitochondriën)

2 NADH2 worden gevormd

Ctroenzuurcyclus (binnen de mitochondriën)

+ 2 GTP (= 2 ATP) worden gevormd uit 2 moleculen succinyl-CoA.
6 NADH2 worden gevormd bij de oxidatie van 2 moleculen elk van isocitraat, ketoglutaraat en malaat.
2 FADH2 worden gevormd bij de oxidatie van 2 moleculen succinaat.

Oxidatieve fosforylatie (in de mitochondriën)

+ 4 ATP van de 2 NADH2 uit de glycolyse als de de glycerolfosfaat shuttle wordt gebruikt. Als de malaat-aspartaat shuttle wordt gebruikt +6 ATP.
+ 6 ATP van de 2 NADH2 uit de decarboxylatie van pyrodruivenzuur.
+ 4 ATP van de 2 FADH2 uit de citroenzuurcyclus.
+18 ATP van de 6 NADH2 uit de citroenzuurcyclus.

Netto opbrengst per glucose 36 (38) ATP.

(1) De melkzuurgisting

Organismen die niet in het bezit zijn van mitochondriën en ook cellen die geen (of onvoldoende) zuurstof krijgen toegevoerd, zijn aangewezen op de ATP uit de glycolyse. Echter na het glycolyseren van ettelijke moleculen glucose zullen ook ettelijke NAD omgezet zijn in NADH2. Daar elke cel slechts beschikt over een beperkt aantal van deze NAD-waterstofacceptoren zullen ze 'geleegd' moeten worden. De cellen in ons lichaam, maar specifiek de melkzuurbacteriën, kunnen dat doordat ze de enzymen bezitten om de waterstof over te dragen aan de midden-C van pyrodruivenzuur, zodat melkzuur ontstaat. Zie linkerroute (1) in de dissimilatiefiguur.

2 pyrodruivenzuur + 2 NADH2 ® 2 melkzuur + 2 NAD.

Merk op! Bij de melkzuurgisting ontstaat geen CO2.

Daarmee is de NAD dan weer beschikbaar voor de glycolyse. De melkzuurbacteriën scheiden het melkzuur uit in hun milieu, vaak melk, waardoor deze zuur wordt. Zuur vervormt de melkeiwitten (denatureert de eiwitten) en dat geeft geschifte (korrelige en zure) melk. (Schiften komt van 'afscheiden'; er ontstaan verschillende zich van elkaar afscheidende substanties in de melk.)

Bij de mens wordt melkzuur niet door het lichaam uitgescheiden maar wel door de cellen in de intercellulaire vloeistof. Daar kan melkzuur de zenuwen prikkelen die het voor ons bekende vermoeidheidssignaal geven. Onder meer rustige of meer zuurstofrijke omstandigheden kan melkzuur (potentieel nog goed voor 36 ATP) weer teruggevormd worden in glucose. Dat kost weliswaar een paar ATP's, maar netto gezien is het toch een forse winst ten opzichte van het verwijderen van melkzuur uit het lichaam.

(2) De alcoholische gisting

Deze rechterroute (2) in de dissimilatiefiguur is specifiek voor gistcellen, want in substanties waarin gistcellen actief zijn daar "gist" het, d.w.z. pruttelt en borrelt het door de uitgescheiden alcohol(damp) en kooldioxide.
Na een aanvankelijke decarboxylatiestap waarbij ethanal en kooldioxide ontstaat, wordt de waterstof overgedragen aan ethanal waardoor ethanol (de gewone alcohol) ontstaat.

2 pyrodruivenzuur ® 2 kooldioxide + 2 ethanal
2 ethanal + 2 NADH2 ® 2 ethanol + 2 NAD

Merk op! Bij de alcoholische gisting ontstaat wel CO2.
Per molecuul glucose 2 CO2

Voorbeeld van een vraag: Een melkzuurbacterie alsmede een gistcel onder anaërobe omstandigheden en levercel van de mens onder aërobe omstandigheden leveren alledrie 38 ATP. Welke cel produceert de meeste kooldioxide.
Antwoord: De melkzuurbacterie uiteraard 0 CO2 (zie hierboven).
De gistcel moet voor 38 ATP 19 moleculen glucose openbreken en dat levert 19 x 2 CO2 = 38 CO2.
De levercel hoeft slechts 1 glucosemolecuul onder haar aërobe omstandigheden te verwerken en daarbij ontstaan 6 CO2.

Gistcellen hebben hun naam terecht gekregen, zij produceren, afgezien van de eventuele alcohol(damp) onder warmere omstandigheden, ruim 6x meer CO2 dan cellen onder aërobe omstandigheden. Vandaar het metafore gebruik in uitdrukkingen als "het gistte in de klas de laatste vrijdag voor kerst", waarbij wordt geduid op het onstuimige opborrelende plezier voor het kerstvolleybaltoernooi.

Met vriendelijke groet aan klas V - G. Nevenzel.

Overzicht