Prozess der Zellatmung

Der Gesamtprozess der Zellatmung kann mit Wasser verglichen werden, das einen Fluss hinunterfließt, der eine Turbine antreibt. Während der Bau und die Wartung der Turbine energieabhängige Prozesse sind, arbeitet der Wasserfluss mit der Schwerkraft, solange Wasser vorgelagert ist. Obwohl die Produktion und Aufrechterhaltung der mitochondrialen Enzyme, Zellmembranen und Cofaktoren energieabhängige Prozesse sind, sind die Brennstoffoxidation und der Atmungselektronenfluss exotherm (dh sie setzen Wärme frei). Elektronen fließen in der Zellatmung genau so, wie sie in anderen elektrischen Schaltkreisen fließen, zu Akzeptoren mit höherer Elektronenaffinität.An der inneren Mitochondrienmembran nutzen die Komplexe I, III und IV (die die reduzierten Formen von NAD +, Coenzym Q bzw. Cytochrom C reoxidieren) ihre höheren Elektronenaffinitäten, um Protonen über die Membran zu pumpen, um einen Protonengradienten zu erzeugen. So wie die Kosten für das Drehen einer Wasserturbine durch Wasser bezahlt werden, das flussabwärts fließt, werden die Kosten für das Pumpen von Protonen durch Elektronen bezahlt, die von höherenergetischen Zuständen zu niederenergetischen Zuständen fließen. Siehe auch: Proton

Rückkehr von Protonen durch das Enzym FoF1 ATP-Synthase erzeugt ATP durch oxidative Phosphorylierung (Abb. 1), während die Rückführung von Protonen durch Protonenporen (z. B. entkoppelnde Proteine) Wärme erzeugt (Abb. 3). Da die Elektronenaffinität einem Gradientenmuster von O2 > Cytochrom C > Coenzym Q > FAD > NAD+ folgt, überträgt die Brennstoffoxidation typischerweise Elektronen zuerst zu NAD + und/ oder FAD und dann zu Coenzym Q, Cytochrom C und O2, mit vielen zusätzlichen proteingebundenen Metallclustern als Zwischenprodukte in den Komplexen I, II, III und IV.

Abb. 3 Elektronenfluss durch die Atmungselektronentransportkette kann reaktive Sauerstoffspezies (ROS) erzeugen. Durch Verschieben von Reduktionsäquivalenten von NADH zu NADPH kann die Nicotinamid-Nukleotid-Transhydrogenase das NADPH erzeugen, um Glutathion zur Entgiftung von ROS zu reaktivieren. Diese Aktivität ist protonenabhängig, also direkt wettbewerbsfähig mit ATP und / oder Wärmeproduktion, und NADH-abhängig, also wettbewerbsfähig mit der Initiierung der Elektronentransportkette am Komplex I. (Credit: Illustration von Carli Hansen)

Kleine schrittweise Erhöhungen der Elektronenaffinität manifestieren sich in kleinen Tropfen der freien Elektronenenergie entlang der Atmungselektronenkette. Die kleinen Unterschiede dienen dazu, die Wärmeproduktion zu minimieren und die Produktion von freien Superoxid− (•O2-) und Hydroxyl- (• OH) Radikalen zu minimieren. Diese reaktiven Verbindungen entstehen durch Kollision zwischen der Radikalform von Coenzym Q (•Q−) und O2 (Abb. 3). Schäden, die durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) verursacht werden, sind offensichtliche Kosten des aeroben Stoffwechsels, und ROS in Form von Wasserstoffperoxid (H2O2) und Phospholipidhydroperoxiden werden durch Glutathionreduktasen und Glutathionperoxidasen gesteuert, die von NADPH als Reduktionsmittel abhängen, um oxidiertes Glutathion zu reaktivieren. Somit besteht unter Bedingungen von ROS ein größerer Bedarf an NADPH für Reparaturfunktionen als an NADH für oxidative Phosphorylierung. Darüber hinaus haben Mitochondrien ein Enzym namens Nicotinamid-Nukleotid-Transhydrogenase (NNT), das Hydrid von NADH auf NADP + übertragen kann, um das NADPH zu erzeugen. Protonen kehren durch NNT zurück, um diesen katalytischen Prozess in einer Weise voranzutreiben, die direkt mit der Produktion von ATP und Wärme konkurriert (Abb. 3). Siehe auch: Freie Energie; Freie Radikale; Wasserstoffperoxid; Die Anforderungen an die Atemwege variieren je nach Art des Brennstoffs, nach dem Gleichgewicht zwischen Katabolismus und Anabolismus, an dem eine Zelle beteiligt ist, und nach dem Grad, in dem die Zelle cytosolisches NADPH anaerob durch Prozesse wie den Pentosephosphatweg (in dem Glukose metabolisiert oder in NADPH umgewandelt wird) produziert.

Während der Prozess der Glucose-Pyruvat-Oxidation anaerob ist, können die Elektronen, die im Schritt der Glyceraldehydphosphat-Dehydrogenase an NADH eingefangen werden, im oxidativen Metabolismus durch Laktattransport zu einem anderen Gewebe und / oder Transfer zu Mitochondrien durch andere Mechanismen, einschließlich des Malat-Aspartat-Shuttles und des Glycerin-3-Phosphat-Shuttles (Abb. 4). Wenn Pyruvat in Mitochondrien durch die kombinierte Wirkung von Pyruvatdehydrogenase und dem Zitronensäurezyklus (Krebszyklus) vollständig zu CO2 oxidiert wird, werden Elektronen an NADPH, NADH und FADH2 eingefangen, wodurch O2 als Elektronenakzeptor für die Reoxidation von NADH und FADH2 erforderlich wird. NADPH, das durch die Wirkung von Isocitratdehydrogenase (einem mitochondrialen Zitronensäureenzym) gebildet wird, wird weitgehend zur Kontrolle von ROS verwendet, die die aerobe Reoxidation von NADH und FADH begleiten2 in der Elektronentransportkette (Abb. 5). Siehe auch: Zitronensäurezyklus

Abb. 4 Mehrere Shuttle-Systeme können reduzierende Äquivalente vom Zytoplasma zu den Mitochondrien bewegen. Der Glycerin-3-Phosphat-Shuttle bewegt Hydrid von cytosolischem NADH zu Coenzym Q durch FAD. Das Malat-Aspartat-Shuttle-System bewegt Malat, Aspartat, α-Ketoglutarat und Glutamat über die innere Membran der Mitochondrien, um die Oxidation von cytosolischem NADH mit der Reduktion von mitochondrialem NAD + zu koppeln. Die Richtung und der Grad dieser Flüsse werden durch die respiratorische abhängige NADH-Reoxidation durch Komplex I begrenzt. (Credit: Illustration by Carli Hansen)

Abb. 5 Die Gesamtoxidation von Glucose greift entweder in die oxidativen und nichtoxidativen Phasen des Pentosephosphatwegs (nicht gezeigt) oder in die Glykolyse und den Zitronensäurezyklus ein, die mit der Atmung verbunden sind. (Credit: Illustration by Carli Hansen)

Im Gegensatz zur Glucoseoxidation erfolgt die vollständige Oxidation von Triglyceriden (neutrale Lipide, die aus drei zu einem Glycerinrückgrat veresterten Fettacylketten bestehen) fast ausschließlich aerob (Abb. 6). Glycerinoxidation zu Pyruvat erzeugt ein cytosolisches NADH anaerob, während gesättigte geradzahlige Fettsäuren, die in Mitochondrien zu CO2 oxidiert werden, alle Elektronen auf NAD + und FAD eingefangen haben, was O2 als ultimativen Elektronenakzeptor erfordert. Das Verhältnis von Fettsäurekohlenstoffen zu Glycerinkohlenstoffen in einem Triglycerid gibt einen Hinweis darauf, wie aerob anspruchsvoll die Triglyceridoxidation ist. Zum Beispiel wird in einem Triglycerid, das drei 16-C–Fettsäuren enthält, ein einzelnes cytosolisches NADH pro >140 reduzierte mitochondriale Coenzyme erzeugt, die bei der Produktion und Oxidation der 48 von Fettsäure abgeleiteten Acetyl-Coenzym-A (Ac-CoA) -Moleküle erzeugt werden. In Anbetracht der Tatsache, dass das cytosolische NADH aerob über den Malat-Aspartat-Shuttle oder den Glycerin-3-Phosphat-Shuttle effektiv reoxidiert werden kann und dass das von Glycerin abgeleitete Pyruvat auch in Mitochondrien oxidiert werden kann, kann eine vollständige Oxidation eines typischen Triglycerids ausreichend Sauerstoff erfordern, um ungefähr 150 mitochondriale NADH- und FADH2-Äquivalente zu reoxidieren. Siehe auch: Lipid; Lipidstoffwechsel; Triglycerid (Triacylglycerin)

Abb. 6 Die Gesamtoxidation der Fettsäureanteile von Triglyceriden hängt von β-Oxidationsenzymen, dem Zitronensäurezyklus und der Atmungselektronentransportkette ab. (Kredit: Illustration by Carli Hansen)

Es sollte auch darauf hingewiesen werden, dass die Aminosäureoxidation in ihrem O2-Bedarf zwischen Glykolyse und mitochondrialer Fettsäureoxidation liegt, da einige reduzierte Cofaktoren im Cytosol und andere in den Mitochondrien produziert werden. Siehe auch: Aminosäure; Aminosäuremetabolismus

Die andere Überlegung, die die Größe eines zellulären O2-Bedarfs bestimmt, ist der Grad, in dem eine Zelle mit Reaktionen beschäftigt ist, die das auf NADH und NADPH getragene Hydrid erfordern, und ob reduzierende Äquivalente zytosolisch hergestellt werden können. Im Gegensatz zu einem Kamin, dessen Zweck es ist, Brennstoff vollständig zu verbrennen, um Wärme zu erzeugen (Abb. 2), Lebewesen schaffen und reparieren alles, woraus sie bestehen, und führen die Arbeit des ruhenden und aktiven Stoffwechsels durch den Verzehr von Lebensmitteln durch.Die Logik des Lebens ist also so, dass die relativ niederenergetischen Elektronen, die auf Cytochrom C in der inneren Mitochondrienmembran getragen werden, viel weniger Kraft haben, sinnvolle Arbeit zu leisten als die Elektronen, die auf cytosolischem NADPH getragen werden. Ersteres kann an O2 spenden, um Wasser zu erzeugen, nachdem es bereits beim Abstieg vom hochenergetischen Zustand in NADH in den niederenergetischen Zustand in reduziertem Cytochrom C einen Protonengradienten erzeugt hat. Daher wäre es für Zellen unlogisch, Elektronen zu weit bergab fließen zu lassen, wenn sie für Biosynthesereaktionen benötigt werden.