De mens ontleed
We eten om een hongergevoel weg te nemen. Om elke dag weer op de fiets te kunnen stappen. Deze simpele redenen zijn voor prof. Lodewijk Tielens (UU) echter nog niet bevredigend. Als biochemicus onderzoekt hij de vraag van ons lichaam om energie een paar niveaus lager, op celniveau. Zoom je daarop in, dan wordt duidelijk waarvoor voeding cruciaal is. Voedsel is nodig om processen in de cellen draaiende en daardoor ons lichaam levende te houden. Maar de wereld van de cellen kent geen bananen, frieten en pasta. Hoe ziet energie op celniveau eruit?
Energie is een chemisch proces
Voor de biochemicus komt energie uit een molecuul: ATP. Dat molecuul bestaat grofweg uit 4 onderdelen, uit de stof adenosine en drie groepen met het atoom fosfaat. De reden dat deze losse onderdelen bij elkaar blijven en één molecuul vormen, is energie. Maakt één van de onderdelen zich los van de rest, dan komt een deel van die energie weer vrij. Klaar om gebruikt te worden voor de stofwisseling: het maken en vervoeren van chemische stoffen in de cellen. Samen dragen al die stofwisselingsprocessen zorg voor een gezond, levend menselijk lichaam.
Die stofwisseling kost karrevrachten energie. Om daarvan genoeg te hebben voor alle stofwisselingsprocessen in het menselijk lichaam is gemiddeld tachtig kilogram ATP op een dag nodig. Daar valt niet tegenop te eten. Bovendien is ons lichaam niet in staat om ATP direct, kant en klaar, uit voedsel te halen. Om in leven te blijven moeten cellen zelf ATP kunnen maken van de voedingsstoffen uit onze maaltijden. Hoe doen die cellen dat?
De fabrieken van onze cellen
Tielens vergelijkt de chemische processen die ATP maken met processen in een fabriek. Onze stofwisseling wordt mede mogelijk gemaakt door microscopisch kleine machines. Zo heeft elke cel zijn eigen energiefabriekjes: mitochondriën. In mitochondriën worden voedingsstoffen uit maaltijden stapsgewijs omgezet in ATP. Daarbij is de hulp nodig van complexe chemische verbindingen, eiwitten. Die werken als een soort katalysatoren. Ze kunnen de processen en reacties die nodig zijn om ATP te maken op gang brengen en versnellen.
Stap voor stap gaat de transitie van voeding tot energie als volgt: Als je gegeten hebt, breekt je lichaam de voedingstoffen af tot steeds kleinere deeltjes. Daarbij komt energie vrij, die het lichaam ‘opvangt’ in het molecuul NADH. NADH is als een batterij. Aan de ene kant van de fabriek wordt deze opgeladen, en aan de andere kant van de fabriek weer ingezet om een nieuwe machine te laten draaien.
Hoe werkt het eiwit dat je lichaam hiervoor gebruikt? Dat zie je in de video hieronder.
Op die manier kan NADH kan in de mitochondriën een chemisch machientje, een eiwit, op gang brengen. In de tussenwanden van het mitochondrion zitten namelijk eiwitten die op de energie van NADH beginnen te werken als microscopische pompen. Ze duwen protonen weg uit het binnenste van het mitochondrion naar buiten. Buiten wordt op deze manier de hoeveelheid protonen veel groter dan binnenin. Vergelijk het met een windmolen op een dam. De windmolen stuwt het water over de dam heen, door middel van energie. Als gevolg ontstaat er spanning op de dam. Maak een gaatje in de dam, en het water stroomt er weer uit.
Op de wand van het mitochondrion ontstaat zulke spanning ook: de protonen willen weer naar binnen. Dat kan, maar alleen via een andere chemische machine, het eiwit ATPase. Als een fietswiel dat langs een dynamo wrijft, bewegen de protonen door de buizen van ATPase. Daar komt opnieuw energie bij vrij, die het lichaam ditmaal ‘opvangt’ in het molecuul ATP. Eindelijk: de energie die vrijkwam bij het afbreken van de voedingstoffen zit nu opgeslagen in het molecuul waar het hele lichaam op draait.
Hoe ziet ATPase eruit? Dat zie je in de animatie hieronder.
Energie kost tijd
Van pastasliert tot voedingsstof, via NADH tot ATP. Steeds wordt in het lichaam de ene vorm van energie omgezet in de andere om de juiste stof op de juiste plek te krijgen. Zo blijven onze cellen functioneren en kunnen onze benen een sprintje trekken om de trein te halen. Aan simpele dagelijkse handelingen zoals eten liggen dus zeer complexe chemische processen ten grondslag. De mens heeft voedsel nodig om niet dood te gaan. Het lijkt een open deur. Maar ga je erdoorheen, dan blijkt die te leiden naar een rijke, complexe wereld van cellen en moleculen.
Die wereld volledig ontdekken en doorgronden kost tijd. Het heeft dan ook 40 jaar geduurd om bovenstaand verhaal over de energiefabriekjes in onze cellen vandaag de dag te kunnen vertellen. En daarmee is het verhaal nog niet uit. Elk antwoord op een vraag creëert weer nieuwe en zelden simpele vragen. De wetenschap leert steeds meer en komt stap voor stap steeds verder. Het vergaren van kennis over een onderwerp stopt niet na een enkel onderzoek en duurt langer dan de loopbaan van individuele wetenschappers.
Frustrerend? Niet volgens Tielens. Het is juist mooi en belangrijk dat er tijd voor genomen en vrijgemaakt wordt om het hoe en wat van fundamentele kwesties uit te pluizen. Goede wetenschap kan niet zonder de lange adem. Wetenschappers kunnen dus gerust nog een extra portie opscheppen. Want hun energie en enthousiasme is hard nodig om de complexiteit van het menselijk lichaam steeds meer bloot te geven.
