proces med cellulær respiration

den samlede proces med cellulær respiration kan sammenlignes med vand, der strømmer ned ad en flod, der driver en turbine. Mens bygning og vedligeholdelse af turbinen er energiafhængige processer, fungerer vandstrømmen med tyngdekraften, så længe der er vand opstrøms. På samme måde er cellemembraner og cofaktorer energiafhængige processer, selv om de producerer og vedligeholder mitokondrierne, brændsel og respiratorisk elektronstrøm er eksoterme (dvs.de frigiver varme). Elektroner strømmer i cellulær respiration nøjagtigt, når de strømmer i andre elektriske kredsløb mod acceptorer med højere elektronaffinitet.ved den indre mitokondriemembran, komplekser i, III og IV (som genoksidiserer de reducerede former for henholdsvis NAD+, C) anvender deres højere elektronaffiniteter til at pumpe protoner over membranen for at generere en protongradient. Ligesom omkostningerne ved at dreje en vandturbine betales af vand, der strømmer ned ad floden, betales omkostningerne ved pumpning af protoner af elektroner, der strømmer fra højere energitilstande til lavere energitilstande. Se også: Proton

retur af protoner gennem fof1 ATP-syntasen genererer ATP ved oksidativ phosphorylering (Fig. 1), hvorimod tilbagevenden af protoner gennem protonporer (såsom afkobling af proteiner) genererer varme (Fig. 3). Fordi elektronaffinitet følger et gradientmønster af O2 > cytochrom C > lysning > lysning typisk overfører elektroner først til NAD+ og/eller FAD, cytokrom C og O2, med mange yderligere proteinbundne metalklynger som mellemprodukter i komplekser i, II, III og IV.

Fig. 3 elektronstrøm gennem den respiratoriske elektrontransportkæde kan generere reaktive iltarter (ROS). Ved at flytte reducerende ækvivalenter fra NADH til NADPH kan nicotinamidnukleotidtranshydrogenase generere NADPH for at genaktivere glutathion for at afgifte ROS. Denne aktivitet er protonafhængig, så den er direkte konkurrencedygtig med ATP og/eller varmeproduktion og er NADH-afhængig, så den er konkurrencedygtig med initiering af elektrontransportkæden ved kompleks I. (kredit: Illustration af Carli Hansen)

små trinvise stigninger i elektronaffinitet manifesteres af små dråber i elektronfri energi langs den respiratoriske elektronkæde. De små forskelle tjener til at minimere varmeproduktionen og til at minimere produktionen af superkilte (•O2−) og hydroksyl (•OH) frie radikaler. Disse reaktive forbindelser dannes ved kollision mellem den radikale form af K (•K−) og O2 (Fig. 3). Skader produceret af reaktive iltarter (ROS) er en åbenbar pris for aerob metabolisme, og ROS i form af brintoverilte (H2O2) og phospholipidhydroperoksider styres af glutathionreduktaser og glutathionperoksidaser, som afhænger af NADPH som reduktionsmiddel til at genaktivere iltet glutathion. Under ROS-betingelser er der således en større efterspørgsel efter NADPH til reparationsfunktioner end for NADH til oksidativ phosphorylering. Desuden har mitokondrier et såkaldt nicotinamidnukleotidtranshydrogenase (NNT), der kan overføre hydrid fra NADH til NADP+ for at generere NADPH. Protoner vender tilbage gennem NNT for at drive denne katalytiske proces på en måde, der er direkte konkurrencedygtig med produktion af ATP og varme (Fig. 3). Se også: fri energi; frie radikaler; brintoverilte; Respiratoriske krav varierer efter brændstoftype, af balancen mellem katabolisme og anabolisme, hvor en celle er involveret, og af den grad, i hvilken cellen producerer cytosolisk NADPH anaerobt gennem processer såsom pentosefosfatvejen (hvor glucose metaboliseres eller omdannes til NADPH).

mens processen med glukose til pyruvatoksidering er anaerob, kan elektronerne, der er fanget på NADH i glyceraldehydphosphatdehydrogenase-trinnet, anvendes i oksidativ metabolisme i kraft af laktattransport til et andet væv og / eller overførsel til mitokondrier gennem andre mekanismer, herunder malat-aspartatfærgen og glycerol-3-phosphatfærgen (Fig. 4). Når pyruvat er fuldt iltet til CO2 i mitokondrier ved den kombinerede virkning af pyruvatdehydrogenase og citronsyrecyklus (Krebs-cyklus), optages elektroner på NADPH, NADH og FADH2, hvilket nødvendiggør O2 som elektronacceptor for at omgifte NADH og FADH2. NADPH dannet ved virkningen af isocitrat dehydrogenase (et mitokondrie citronsyre) bruges i vid udstrækning til at kontrollere ROS, der ledsager aerob reoksidering af NADH og FADH2 i elektrontransportkæden (Fig. 5). Se også: Citronsyrecyklus

Fig. 4 flere shuttle-systemer kan flytte reducerende ækvivalenter fra cytoplasma til mitokondrier. Glycerol-3-phosphatfærgen bevæger hydrid fra cytosolisk NADH til coensym gennem FAD. Malat-aspartat shuttle-systemet bevæger sig malat, aspartat, Kurt-ketoglutarat og glutamat på tværs af mitokondrie indre membran for at parre iltningen af cytosolisk NADH til reduktion af mitokondrie NAD+. Retningen og graden af disse strømninger er begrænset af åndedrætsafhængig NADH-reoksidering med kompleks I. (kredit: Illustration af Carli Hansen)

fig. 5 Total iltning af glukose involverer enten de iltende og ikke-iltende faser af pentosefosfatvejen (ikke vist) eller glykolyse og citronsyrecyklussen forbundet med respiration. (Kredit: Illustration af Carli Hansen)

i modsætning til glukoseoksidering er den komplette oksidering af triglycerider (neutrale lipider bestående af tre fede acylkæder forestret til en glycerolrygrad) næsten udelukkende aerob (Fig. 6). Glyceroloksidering til pyruvat producerer en cytosolisk NADH anaerobt, mens mættede lige nummererede fedtsyrer, der iltes til CO2 i mitokondrier, har alle elektroner fanget på NAD+ og FAD, hvilket nødvendiggør O2 som den ultimative elektronacceptor. Forholdet mellem fedtsyre-carbonatomer og glycerol-carbonatomer i et triglycerid giver en indikation af, hvor aerobt krævende triglyceridoksidering er. For eksempel i et triglycerid, der indeholder tre 16-C fedtsyrer, genereres en enkelt cytosolisk NADH pr. >140 reducerede mitokondrie coensymer genereret i produktion og iltning af de 48 fedtsyreafledte acetyl–coensyme a (Ac-CoA) molekyler. I betragtning af at den cytosoliske NADH effektivt kan reoksidiseres aerobt via malat-aspartatfærgen eller glycerol-3-phosphatfærgen, og at det glycerolafledte pyruvat også kan iltes i mitokondrier, kan fuldstændig iltning af et typisk triglycerid kræve tilstrækkelig ilt til at reoksidisere cirka 150 mitokondrie NADH-og FADH2-ækvivalenter. Se også: Lipid; lipidmetabolisme; Triglycerid (triacylglycerol)

Fig. 6 Total iltning af fedtsyredele af triglycerider afhænger af citronsyrecyklussen og den respiratoriske elektrontransportkæde. (Kredit: Illustration af Carli Hansen)

det skal også påpeges, at aminosyreoksidering er mellemliggende i dets O2-krav mellem glykolyse og mitokondriefedtsyreoksidering, fordi nogle reducerede cofaktorer produceres i cytosolen, og andre produceres i mitokondrierne. Se også: aminosyre; Aminosyremetabolisme

den anden overvejelse, der styrer størrelsen af et cellulært O2-krav, er i hvilken grad en celle har travlt med reaktioner, der kræver det hydrid, der bæres på NADH og NADPH, og om reducerende ækvivalenter kan produceres cytosolisk. I modsætning til en pejs, hvis formål er at forbrænde brændstof fuldt ud for at generere varme (Fig. 2), levende ting skaber og reparerer alt, hvad de er lavet af, og udfører arbejdet med hvile og aktiv metabolisme fra indtagelse af fødevarer.

således er livets logik sådan, at de relativt lave energielektroner, der bæres på cytokrom C i den indre mitokondriemembran, har meget mindre magt til at udføre meningsfuldt arbejde end elektronerne, der bæres på cytosolisk NADPH. Førstnævnte kan donere til O2 for at generere vand, idet de allerede har genereret en protongradient i nedstigningen fra højenergitilstanden i NADH til lavenergitilstanden i reduceret cytokrom C. Sidstnævnte kan donere elektroner til beta-ketogrupper og alkener for at udføre reduktiv biosyntese. Derfor ville det være ulogisk for celler at lade elektroner strømme ned ad bakke for langt, hvis de er nødvendige for biosyntetiske reaktioner.