Cellandningen - Cellular respiration

Typisk eukaryot cell

Cellandningen är en uppsättning av metaboliska reaktioner och processer som äger rum i de celler hos organismer för att omvandla kemisk energi från syremolekyler eller näringsämnen till adenosintrifosfat (ATP), och sedan frigöra avfallsprodukter. Reaktionerna som är inblandade i andningen är katabola reaktioner , som bryter stora molekyler till mindre, vilket frigör energi eftersom svaga högenergibindningar, i synnerhet i molekylärt syre, ersätts av starkare bindningar i produkterna. Andning är ett av de viktigaste sätten en cell frigör kemisk energi för att driva cellulär aktivitet. Den övergripande reaktionen sker i en serie biokemiska steg, varav några är redoxreaktioner . Även om cellulär andning tekniskt sett är en förbränningsreaktion , liknar den uppenbarligen inte en sådan när den sker i en levande cell på grund av den långsamma, kontrollerade frisättningen av energi från reaktionsserien.

Näringsämnen som vanligen används av djur- och växtceller vid andning inkluderar socker , aminosyror och fettsyror , och det vanligaste oxideringsmedlet som ger det mesta av den kemiska energin är molekylärt syre (O 2 ). Den kemiska energin som lagras i ATP (bindningen av dess tredje fosfatgrupp till resten av molekylen kan brytas så att mer stabila produkter bildas och därmed frigör energi för användning av cellen) kan sedan användas för att driva processer som kräver energi, inklusive biosyntes , rörelse eller transport av molekyler över cellmembran .

Aerob andning

Aerob andning kräver syre (O 2 ) för att skapa ATP . Även om kolhydrater , fetter och proteiner konsumeras som reaktanter, är aerob andning den föredragna metoden för pyruvatnedbrytning vid glykolys och kräver pyruvat till mitokondrier för att oxideras helt av citronsyracykeln . Produkterna enligt denna process är koldioxid och vatten, och den energi som överförs används för att bryta bindningarna i ADP för att lägga tredjedel fosfatgrupp för att bilda ATP ( adenosintrifosfat ), genom substrat-nivå fosforylering , NADH och FADH 2

Förenklad reaktion: C 6 H 12 O 6 (s) + 6 O 2 (g) → 6 CO 2 (g) + 6 H 2 O (l) + värme
AG = -2880 kJ per mol C 6 H 12 O 6

Den negativa indicatesG indikerar att reaktionen kan ske spontant.

Potentialen för NADH och FADH 2 omvandlas till mer ATP genom en elektrontransportkedja med syre och protoner (väte) som "terminalelektronacceptorer". Det mesta av ATP som produceras genom aerob cellandning sker genom oxidativ fosforylering . Energin från O 2 som frigörs används för att skapa en kemiosmotisk potential genom att pumpa protoner över ett membran. Denna potential används sedan för att driva ATP -syntas och producera ATP från ADP och en fosfatgrupp. Biologiska läroböcker anger ofta att 38 ATP -molekyler kan göras per oxiderad glukosmolekyl under cellandning (2 från glykolys, 2 från Krebs -cykeln och cirka 34 från elektrontransportsystemet). Detta maximala utbyte uppnås dock aldrig riktigt på grund av förluster på grund av läckande membran samt kostnaden för att flytta pyruvat och ADP till mitokondriell matris, och nuvarande uppskattningar varierar mellan 29 och 30 ATP per glukos.

Aerob metabolism är upp till 15 gånger effektivare än anaerob metabolism (vilket ger 2 molekyler ATP per 1 molekylglukos) eftersom dubbelbindningen i O 2 har högre energi än andra dubbelbindningar eller par enkelbindningar i andra vanliga molekyler i biosfären . Vissa anaeroba organismer, såsom metanogener, kan emellertid fortsätta med anaerob andning , vilket ger mer ATP genom att använda andra oorganiska molekyler (inte syre) av hög energi som slutliga elektronacceptorer i elektrontransportkedjan. De delar den första vägen för glykolys men den aeroba metabolismen fortsätter med Krebs -cykeln och oxidativ fosforylering. De postglykolytiska reaktionerna sker i mitokondrierna i eukaryota celler och i cytoplasman i prokaryota celler .

Glykolys

Ut ur cytoplasman går det in i Krebs -cykeln med acetyl CoA. Den blandas sedan med CO 2 och gör 2 ATP, NADH och FADH. Därifrån går NADH och FADH in i NADH -reduktaset, som producerar enzymet. NADH drar enzymets elektroner för att skicka genom elektrontransportkedjan. Elektrontransportkedjan drar H + joner genom kedjan. Från elektrontransportkedjan gör de frigjorda vätejonerna ADP för ett slutresultat på 32 ATP. O 2 ger det mesta av energin för processen och kombineras med protoner och elektroner för att göra vatten. Slutligen lämnar ATP genom ATP -kanalen och ut ur mitokondrierna.

Glykolys är en metabolisk väg som sker i cytosolen i celler i alla levande organismer. Glykolys kan bokstavligen översättas som "sockerklyvning" och sker med eller utan närvaro av syre. Under aeroba förhållanden omvandlar processen en molekyl glukos till två molekyler pyruvat (pyruvinsyra), vilket genererar energi i form av två nettomolekyler av ATP . Fyra molekyler ATP per glukos produceras faktiskt, men två konsumeras som en del av den förberedande fasen . Den initiala fosforyleringen av glukos krävs för att öka reaktiviteten (minska dess stabilitet) för att molekylen ska klyvas i två pyruvatmolekyler av enzymet aldolas . Under avbetalningsfasen av glykolys överförs fyra fosfatgrupper till ADP genom fosforyleringsubstratnivå för att göra fyra ATP, och två NADH produceras när pyruvatet oxideras. Den totala reaktionen kan uttryckas så här:

Glukos + 2 NAD + + 2 P i + 2 ADP → 2 pyruvat + 2 H + + 2 NADH + 2 ATP + 2 H + + 2 H 2 O + energi

Från och med glukos används 1 ATP för att donera ett fosfat till glukos för att producera glukos 6-fosfat. Glykogen kan också omvandlas till glukos 6-fosfat med hjälp av glykogenfosforylas. Under energimetabolismen blir glukos 6-fosfat fruktos-6-fosfat. Ytterligare ATP används för att fosforylera fruktos 6-fosfat till fruktos 1,6-bisfosfat med hjälp av fosfofruktokinas. Fruktos 1,6-bifosfat delas sedan upp i två fosforylerade molekyler med tre kolkedjor som senare bryts ned till pyruvat.

Oxidativ dekarboxylering av pyruvat

Pyruvat oxideras till acetyl-CoA och CO 2 av pyruvatdehydrogenaskomplexet (PDC). PDC innehåller flera kopior av tre enzymer och ligger i mitokondrierna hos eukaryota celler och i cytosolen av prokaryoter. Vid omvandlingen av pyruvat till acetyl-CoA bildas en molekyl NADH och en molekyl CO 2 .

Citronsyracykel

Detta kallas också Krebs -cykeln eller trikarboxylsyracykeln . När syre är närvarande produceras acetyl-CoA från pyruvatmolekylerna som skapas från glykolys. När väl acetyl-CoA bildats kan aerob eller anaerob andning uppstå. När syre är närvarande kommer mitokondrier att genomgå aerob andning som leder till Krebs -cykeln. Men om syre inte är närvarande sker fermentering av pyruvatmolekylen. I närvaro av syre, när acetyl-CoA produceras, molekylen kommer sedan in i citronsyracykeln (Krebs cykel) inuti den mitokondriska matrisen, och oxideras till CO 2 medan på samma gång reducera NAD till NADH . NADH kan användas av elektrontransportkedjan för att skapa ytterligare ATP som en del av oxidativ fosforylering. För att helt oxidera motsvarigheten till en glukosmolekyl måste två acetyl-CoA metaboliseras av Krebs-cykeln. Två låg-energiavfallsprodukter , H 2 O och CO 2 , skapas under denna cykel.

Citronsyracykeln är en 8-stegsprocess som omfattar 18 olika enzymer och koenzymer. Under cykeln ger acetyl-CoA (2 kol) + oxaloacetat (4 kol) citrat (6 kol), vilket ordnas om till en mer reaktiv form som kallas isocitrat (6 kol). Isocitrat modifieras för att bli a-ketoglutarat (5 kol), succinyl-CoA, succinat, fumarat, malat och slutligen oxaloacetat.

Nettovinsten från en cykel är 3 NADH och 1 FADH 2 som väte- (proton plus elektron) -förande föreningar och 1 högenergi GTP, som därefter kan användas för att producera ATP. Det totala utbytet från 1 glukosmolekyl (2 pyruvatmolekyler) är således 6 NADH, 2 FADH 2 och 2 ATP.

Oxidativ fosforylering

I eukaryoter sker oxidativ fosforylering i mitokondriella cristae . Den omfattar elektrontransportkedjan som etablerar en protongradient (kemiosmotisk potential) över gränsen för det inre membranet genom att oxidera NADH som produceras från Krebs -cykeln. ATP syntetiseras av ATP -syntasenzymet när den kemiosmotiska gradienten används för att driva fosforyleringen av ADP. Elektronöverföringen drivs av den kemiska energin från exogent syre och med tillsats av två protoner bildas vatten.

Effektivitet för ATP -produktion

Tabellen nedan beskriver de reaktioner som är inblandade när en glukosmolekyl oxideras helt till koldioxid. Det antas att alla reducerade koenzymer oxideras av elektrontransportkedjan och används för oxidativ fosforylering.

Steg koenzymutbyte ATP -utbyte Källa till ATP
Glykolys förberedande fas −2 Fosforylering av glukos och fruktos 6-fosfat använder två ATP från cytoplasman.
Glykolys avbetalningsfas 4 Fosforylering på substratnivå
2 NADH 3 eller 5 Oxidativ fosforylering: Varje NADH producerar netto 1,5 ATP (istället för vanligt 2,5) på grund av NADH -transport över mitokondriemembranet
Oxidativ dekarboxylering av pyruvat 2 NADH 5 Oxidativ fosforylering
Krebs cykel 2 Fosforylering på substratnivå
6 NADH 15 Oxidativ fosforylering
2 FADH 2 3 Oxidativ fosforylering
Totalt utbyte 30 eller 32 ATP Från fullständig oxidation av en glukosmolekyl till koldioxid och oxidation av alla reducerade koenzymer.

Även om det finns ett teoretiskt utbyte av 38 ATP -molekyler per glukos under cellandning, realiseras sådana förhållanden i allmänhet inte på grund av förluster som kostnaden för att flytta pyruvat (från glykolys), fosfat och ADP (substrat för ATP -syntes) in i mitokondrierna . Alla transporteras aktivt med hjälp av bärare som använder den lagrade energin i protonens elektrokemiska gradient .

  • Pyruvat tas upp av en specifik, låg km -transportör för att föra den in i mitokondriell matris för oxidation av pyruvatdehydrogenaskomplexet.
  • Den fosfatbärare (PiC) förmedlar elektroneutrala utbytet ( antiport ) av fosfat (H 2 PO 4 - ; P i ) för OH - eller symport av fosfat och protoner (H + ) över det inre membranet, och drivkraften för att förflytta fosfat joner in i mitokondrierna är protonens drivkraft .
  • Den ATP-ADP translokas (även kallad adeninnukleotid translokas, ANT ) är en antiporter och utbyte ADP och ATP över innermembranet . Drivkraften beror på att ATP (−4) har en mer negativ laddning än ADP (−3), och därmed försvinner den en del av den elektriska komponenten i protonens elektrokemiska gradient.

Resultatet av dessa transportprocesser med protonens elektrokemiska gradient är att mer än 3 H + behövs för att göra 1 ATP. Uppenbarligen minskar detta den teoretiska effektiviteten för hela processen och det troliga maximiet är närmare 28–30 ATP -molekyler. I praktiken kan effektiviteten vara ännu lägre eftersom mitokondriernas inre membran är något läckande för protoner. Andra faktorer kan också skingra protongradienten och skapa en till synes läckande mitokondrier. Ett urkopplingsprotein som kallas termogenin uttrycks i vissa celltyper och är en kanal som kan transportera protoner. När detta protein är aktivt i det inre membranet kortsluter det kopplingen mellan elektrontransportkedjan och ATP -syntesen . Den potentiella energin från protongradienten används inte för att göra ATP utan genererar värme. Detta är särskilt viktigt vid termogenes av brunt fett hos nyfödda och vilande däggdjur.

Stokiometri av aerob andning och de mest kända fermentationstyperna i eukaryota celler. Siffror i cirklar anger antalet kolatomer i molekyler, C6 är glukos C 6 H 12 O 6 , C1 koldioxid CO 2 . Mitokondriellt yttre membran utelämnas.

Enligt några nyare källor är ATP -utbytet under aerob andning inte 36–38, utan bara cirka 30–32 ATP -molekyler / 1 molekyl glukos, eftersom:

  • ATP: NADH + H + och ATP: FADH 2 förhållanden under oxidativ fosforylering verkar inte vara 3 och 2, utan 2,5 respektive 1,5. Till skillnad från vid substratnivåfosforylering är stökiometrin här svår att fastställa.
    • ATP -syntas producerar 1 ATP / 3 H + . Utbytet av matris -ATP för cytosolisk ADP och Pi (antiport med OH - eller symport med H + ) som förmedlas av ATP – ADP -translokas och fosfatbärare förbrukar dock 1 H + / 1 ATP som ett resultat av regenerering av transmembranpotentialen som förändrats under detta överföring, så nettoförhållandet är 1 ATP: 4 H + .
    • Den mitokondriella elektrontransportkedjans protonpump överför över det inre membranet 10 H + / 1 NADH + H + (4 + 2 + 4) eller 6 H + / 1 FADH 2 (2 + 4).
Så den sista stökiometri är
1 NADH + H +  : 10 H +  : 10/4 ATP = 1 NADH + H +  : 2,5 ATP
1 FADH 2  : 6 H +  : 6/4 ATP = 1 FADH 2  : 1,5 ATP
  • ATP: NADH + H + kommer från glykolysförhållande under oxidativ fosforylering
    • 1.5, som för FADH 2 , om väteatomer (2H + + 2e - ) överförs från cytosoliskt NADH + H + till mitokondriellt FAD av glycerolfosfatskytteln i det inre mitokondriella membranet.
    • 2.5 vid malat-aspartat-transfer som överför väteatomer från cytosoliskt NADH + H + till mitokondriellt NAD +

Så äntligen har vi, per molekyl glukos

Sammantaget ger detta 4 + 3 (eller 5) + 20 + 3 = 30 (eller 32) ATP per molekyl glukos

Dessa siffror kan fortfarande kräva ytterligare justeringar när nya strukturella detaljer blir tillgängliga. Ovanstående värde på 3 H+/ATP för syntaset förutsätter att syntaset translokerar 9 protoner och producerar 3 ATP per rotation. Antalet protoner beror på antalet c-subenheter i Fo c-ringen , och det är nu känt att detta är 10 i jäst Fo och 8 för ryggradsdjur. Inklusive en H+för transportreaktionerna betyder detta att syntes av en ATP kräver 1+10/3 = 4,33 protoner i jäst och 1+8/3 = 3,67 hos ryggradsdjur. Detta skulle innebära att i mänskliga mitokondrier skulle de 10 protonerna från oxiderande NADH producera 2,72 ATP (istället för 2,5) och de 6 protonerna från oxiderande succinat eller ubiquinol skulle producera 1,64 ATP (istället för 1,5). Detta överensstämmer med experimentella resultat inom den felmarginal som beskrivs i en ny granskning.

Den totala ATP utbyte i etanol eller mjölksyra jäsning är endast två molekyler som kommer från glykolys , eftersom pyruvat inte överförs till mitokondrien och slutligen oxideras till koldioxid (CO 2 ), men reduceras till etanol eller mjölksyra i cytoplasman .

Jäsning

Utan syre metaboliseras inte pyruvat ( pyruvinsyra ) genom cellulär andning utan genomgår en fermenteringsprocess. Pyruvat transporteras inte in i mitokondrionen utan förblir i cytoplasman, där det omvandlas till avfallsprodukter som kan avlägsnas från cellen. Detta tjänar syftet att oxidera elektronbärarna så att de kan utföra glykolys igen och ta bort överskottet av pyruvat. Fermentering oxiderar NADH till NAD + så att det kan återanvändas vid glykolys. I frånvaro av syre förhindrar jäsning uppbyggnad av NADH i cytoplasman och ger NAD + för glykolys. Denna avfallsprodukt varierar beroende på organismen. I skelettmusklerna är avfallsprodukten mjölksyra . Denna typ av jäsning kallas mjölksyrajäsning . Vid ansträngande träning, när energibehovet överstiger energitillförseln, kan andningskedjan inte bearbeta alla väteatomer som förenas av NADH. Under anaerob glykolys regenererar NAD + när par väte kombineras med pyruvat för att bilda laktat. Laktatbildning katalyseras av laktatdehydrogenas i en reversibel reaktion. Laktat kan också användas som en indirekt föregångare för leverglykogen. Under återhämtning, när syre blir tillgängligt, fäster NAD + vid väte från laktat för att bilda ATP. I jäst är avfallsprodukterna etanol och koldioxid . Denna typ av jäsning kallas alkohol- eller etanoljäsning . ATP som genereras i denna process tillverkas genom fosforylering på substratnivå, vilket inte kräver syre.

Fermentering är mindre effektiv för att använda energin från glukos: endast 2 ATP produceras per glukos, jämfört med 38 ATP per glukos som nominellt produceras genom aerob andning. Detta beror på att det mesta av energin för aerob andning härrör från O 2 med dess relativt svaga, höga energi dubbelbindning. Glykolytisk ATP skapas dock snabbare. För att prokaryoter ska kunna fortsätta att växa snabbt när de flyttas från en aerob miljö till en anaerob miljö måste de öka glykolytiska reaktioner. För flercelliga organismer, under korta utbrott av ansträngande aktivitet, använder muskelcellerna jäsning för att komplettera ATP -produktionen från den långsammare aeroba andningen, så fermentering kan användas av en cell även innan syrenivåerna är utarmade, vilket är fallet i sporter som gör kräver inte att idrottare tar fart själva, till exempel sprint .

Anaerob andning

Cellandning är processen genom vilken biologiska bränslen oxideras i närvaro av en högenergisk oorganisk elektronacceptor (t.ex. syre) för att producera stora mängder energi, för att driva massproduktionen av ATP.

Anaerob andning används av vissa mikroorganismer där varken syre (aerob andning) eller pyruvatderivat (fermentering) är den slutliga elektronacceptorn med hög energi. Snarare används en oorganisk acceptor såsom sulfat (SO42-), nitrat (NO3–) eller svavel (S). Sådana organismer finns vanligtvis på ovanliga platser, såsom undervattensgrottor eller nära hydrotermiska ventiler vid botten av havet.

I juli 2019 upptäckte en vetenskaplig studie av Kidd Mine i Kanada svavelandande organismer som lever 7900 fot under ytan och som andas svavel för att överleva. Dessa organismer är också anmärkningsvärda på grund av att de konsumerar mineraler som pyrit som deras matkälla.

Se även

Referenser

externa länkar