Oxidatieve decarboxylering

De oxidatieve decarboxylering is een onderdeel van celademhaling en vindt plaats in de mitochondriën van de cel. Het eindproduct van de oxidatieve decarboxylering, acetyl-coA, wordt vervolgens verder verwerkt in de citroenzuurcyclus.

Wat is oxidatieve decarboxylering?

Mitochondriën zijn celorganellen die in bijna alle cellen met een kern worden aangetroffen. Ze worden ook wel de energiecentrales van de cel genoemd omdat ze het molecuul ATP (adenosinetrifosfaat) vormen. ATP is de belangrijkste energiebron in het menselijk lichaam en wordt verkregen door middel van aerobe ademhaling. Aërobe ademhaling wordt ook wel celademhaling of interne ademhaling genoemd.

Celademhaling is onderverdeeld in vier stappen. Glycolyse vindt in het begin plaats. Dit wordt gevolgd door de oxidatieve decarboxylering, vervolgens de citroenzuurcyclus en tenslotte de laatste oxidatie (ademhalingsketen).

De oxidatieve decarboxylering vindt plaats in de zogenaamde matrix van de mitochondriën. Kortom, pyruvaat, dat voornamelijk afkomstig is van glycolyse, wordt hier omgezet in acetyl-CoA. Hiervoor bindt het pyruvaat, een zuuranion van pyrodruivenzuur, zich aan thiaminepyrofosfaat (TPP). TPP wordt gevormd uit de vitamine B1. De carboxylgroep van het pyruvaat wordt vervolgens afgesplitst als kooldioxide (CO2). Dit proces staat bekend als decarboxylering. Hierdoor ontstaat hydroxyethyl-TPP.

Dit hydroxyethyl-TPP wordt vervolgens katalyse door de zogenaamde pyruvaatdehydrogenase-component, een subeenheid van het pyruvaat dehydrogenase-enzymcomplex. De resterende acetylgroep wordt overgebracht naar het conenzym A door middel van katalyse door het dihydrolipoyltransacetylase. Hierdoor ontstaat acetyl-CoA, wat nodig is in de volgende citroenzuurcyclus. Een multi-enzymcomplex bestaande uit de enzymen decarboxylase, oxidoreductase en dehydrogenase is vereist om deze reactie soepel te laten verlopen.

Functie en taak

Oxidatieve decarboxylering is een onmisbaar onderdeel van de interne ademhaling en dient, net als glycolyse, de citroenzuurcyclus en de eindoxidatie in de ademhalingsketen, om energie op te wekken in de cellen. Om dit te doen, nemen de cellen glucose op en breken het af als onderdeel van de glycolyse. Twee pyruvaten worden in tien stappen uit één glucosemolecuul verkregen. Dit is een voorwaarde voor oxidatieve decarboxylering.

Het is waar dat ATP-moleculen ook worden verkregen tijdens glycolyse en oxidatieve decarboxylering, maar aanzienlijk minder dan in de volgende citroenzuurcyclus. Kortom, een knalgasreactie vindt plaats in de cellen tijdens de citroenzuurcyclus. Waterstof en zuurstof reageren met elkaar en bij het vrijkomen van kooldioxide en water wordt energie opgewekt in de vorm van ATP. Per ronde van een citroenzuurcyclus kunnen ongeveer tien ATP-moleculen worden gesynthetiseerd.

Als universele energiedrager is ATP essentieel voor het menselijk leven. Het energiemolecuul is de voorwaarde voor alle reacties in het menselijk lichaam. Zenuwimpulsen, spierbewegingen, de aanmaak van hormonen, al deze processen vereisen ATP. Het lichaam produceert ongeveer 65 kg ATP per dag om in zijn energiebehoefte te voorzien.

ATP kan in principe ook zonder zuurstof en dus zonder oxidatieve decarboxylering worden verkregen. Dit anaëroob metabolisme van melkzuur is echter veel minder productief dan het aëroob metabolisme en leidt ook tot de vorming van melkzuur. Dit kan bij sterke en langdurige inspanning leiden tot oververzuring en oververmoeidheid van de aangetaste spier.

Ziekten en aandoeningen

Een ziekte die wordt veroorzaakt door een stoornis in oxidatieve decarboxylering is ahornsiroopziekte. Hier ligt het probleem niet bij de afbraak van glucose, maar bij de afbraak van de aminozuren leucine, isoleucine en valine. De ziekte is erfelijk en komt vaak direct na de geboorte voor. De getroffen pasgeborenen lijden aan braken, ademhalingsstoornissen tot ademhalingsstilstand, lethargie of coma. Hoog geschreeuw, stuiptrekkingen en een te hoge bloedsuikerspiegel zijn ook typerend. Het zogenaamde 2-keto-3-methylvaleriaanzuur wordt gevormd door de verkeerde afbraak van de aminozuren. Hierdoor krijgt de urine en het zweet van kinderen de karakteristieke geur van ahornsiroop, waaraan de ziekte zijn naam ontleent. Indien onbehandeld, leidt de ziekte snel tot de dood.

Zoals reeds aangegeven speelt vitamine B1 (thiamine) een belangrijke rol bij oxidatieve decarboxylering. Zonder thiamine is de decarboxylering van pyruvaat met de vorming van acetyl-CoA niet mogelijk. Ernstig B1-tekort is de oorzaak van de ziekte van beriberi. In het verleden gebeurde dit vooral op plantages of in gevangenissen in Oost-Azië, waar men vooral gepelde en gepolijste rijst at, omdat vitamine B1 alleen in de kaf van de rijstkorrels zit.

Door het gebrek aan thiamine en de daarmee gepaard gaande remming van oxidatieve decarboxylering, leidt de ziekte van beriberi voornamelijk tot aandoeningen in weefsels met een hoge energieomzetting. Deze omvatten de skeletspieren, de hartspier en het zenuwstelsel.De ziekte manifesteert zich in de vorm van apathie, zenuwverlamming, vergroot hart, hartfalen en oedeem.

Een andere ziekte waarbij de oxidatieve decarboxylering wordt verstoord, is glutaaracidurie type I. Het is een vrij zeldzame erfelijke ziekte. De getroffenen hebben aanvankelijk lange tijd geen symptomen. De eerste symptomen doen zich dan voor in de context van een katabole crisis. Er zijn ernstige bewegingsstoornissen. De kofferbak is onstabiel. Koorts kan ook optreden.

Het vroege symptoom van type I glutaaracidurie is macrocefalie, d.w.z. een groter dan gemiddelde schedel. Zodra de eerste symptomen optreden, vordert de ziekte snel. Kinderen die vroeg worden gediagnosticeerd, hebben echter een veelbelovende prognose en doen het meestal goed met de behandeling. De ziekte wordt echter vaak verkeerd geïnterpreteerd als encefalitis, d.w.z. een ontsteking van de hersenen.

De diagnose glutaaracidurie type I kan vrij gemakkelijk worden gesteld door middel van urineonderzoek. De ziekte is echter zeldzaam, waardoor de symptomen vaak verkeerd worden geïnterpreteerd en er in eerste instantie geen onderzoek naar de ziekte wordt uitgevoerd.