a sejtlégzés folyamata

a sejtlégzés teljes folyamata a turbinát hajtó folyón lefolyó vízhez hasonlítható. Míg a turbina építése és karbantartása energiafüggő folyamat, addig a víz áramlása gravitációval működik, amíg víz van felfelé. Hasonlóképpen, bár a mitokondriális enzimek, a sejtmembránok és a kofaktorok előállítása és fenntartása energiafüggő folyamatok, az üzemanyag oxidációja és a légzőelektron áramlása exoterm (azaz hőt szabadít fel). Az elektronok pontosan úgy áramlanak a sejtlégzésben, mint más elektromos áramkörökben, a nagyobb elektron affinitású akceptorok felé.

a belső mitokondriális membránon az I, III és IV komplexek (amelyek újraoxidálják a NAD+, A Q koenzim és a citokróm C redukált formáit) magasabb elektron affinitásaikat használják fel a protonok átpumpálására a membránon, hogy protongradienst hozzanak létre. Ahogy a vízturbina forgatásának költségeit a folyón folyó víz fizeti, a protonok szivattyúzásának költségeit a magasabb energiájú állapotokból az alacsonyabb energiájú állapotokba áramló elektronok fizetik. Lásd még: Proton

protonok visszatérése az enzimen keresztül FoF1 ATP szintáz oxidatív foszforilezéssel ATP-t generál (ábra. 1), míg a protonok protonpórusokon keresztül történő visszatérése (például a fehérjék leválasztása) hőt termel (ábra. 3). Mivel az elektron affinitása az O2 gradiens mintázatát követi > citokróm C > koenzim Q > FAD > nad+, az üzemanyag oxidációja jellemzően az elektronokat először NAD+-ba és/vagy FAD-be továbbítja, és ezután koenzim Q, citokróm C és O2, sok további fehérjéhez kötött fém klaszterek intermedierként komplexek i, II, III és IV.

ábra. 3 az elektron áramlása a légzőelektron transzportláncon keresztül reaktív oxigénfajokat (ROS) generálhat. A redukáló ekvivalensek NADH-ból NADPH-ba mozgatásával a nikotinamid nukleotid-transzhidrogenáz előállíthatja a NADPH-t a glutation reaktiválására a ROS méregtelenítésére. Ez az aktivitás protonfüggő, tehát közvetlenül versenyképes az ATP-vel és/vagy a hőtermeléssel, és NADH-függő, tehát versenyképes az elektrontranszport lánc iniciálásával az I. komplexnél. (hitel: Carli Hansen illusztrációja)

az elektron affinitás kis fokozatos növekedése az elektron szabad energiájának kis cseppjeiben nyilvánul meg a légzőelektron lánc mentén. A kis különbségek minimalizálják a hőtermelést és minimalizálják a szuperoxid (•O2−) és a hidroxil (•OH) szabad gyökök termelését. Ezek a reaktív vegyületek a koenzim Q (•Q−) és O2 (ábra) gyökös formájának ütközésével jönnek létre. 3). A reaktív oxigénfajok (ROS) által okozott károsodás az aerob metabolizmus nyilvánvaló költsége, és a hidrogén-peroxid (H2O2) és a foszfolipid-hidroperoxidok formájában lévő ROS-t a glutation-reduktázok és a glutation-peroxidázok szabályozzák, amelyek a NADPH-tól, mint redukálószertől függenek az oxidált glutation reaktiválásához. Így a ROS körülményei között nagyobb az igény a NADPH-ra a javítási funkciókhoz, mint a NADH-ra az oxidatív foszforilezéshez. Ezenkívül a mitokondriumoknak van egy úgynevezett enzimje nikotinamid nukleotid transzhidrogenáz (NNT), amely képes hidridet átvinni NADH nak nek NADP+ a NADPH előállításához. A protonok az NNT-n keresztül térnek vissza, hogy ezt a katalitikus folyamatot olyan módon hajtsák végre, amely közvetlenül versenyképes az ATP és a hő termelésével (ábra. 3). Lásd még: szabad energia; szabad gyök; hidrogén-peroxid; Szuperoxid kémia

a légzési igények az üzemanyag típusától, a katabolizmus és az anabolizmus közötti egyensúlytól függően változnak, amelyben a sejt részt vesz, valamint attól, hogy a sejt milyen mértékben termel citoszolos NADPH-t anaerob módon olyan folyamatok révén, mint a pentóz-foszfát út (amelyben a glükóz metabolizálódik vagy NADPH-vá alakul).

míg a glükóz piruvát oxidációjának folyamata anaerob, a gliceraldehid-foszfát-dehidrogenáz lépésben a NADH-n rögzített elektronok felhasználhatók az oxidatív anyagcserében a laktát másik szövetbe történő transzportja és / vagy a mitokondriumokba történő átvitel révén más mechanizmusok révén, beleértve a malát-aszpartát transzfert és a glicerin-3-foszfát transzfert (ábra. 4). Amikor a piruvát teljesen CO2-vá oxidálódik a mitokondriumokban a piruvát-dehidrogenáz és a citromsavciklus (Krebs-ciklus) együttes hatására, az elektronokat NADPH-ra, NADH-ra és FADH2-re rögzítik, ami szükségessé teszi az O2-t, mint elektron akceptort a NADH és a FADH reoxidálásához.2. Az izocitrát-dehidrogenáz (mitokondriális citromsav enzim) hatására képződött NADPH-t nagyrészt a NADH és a FADH aerob reoxidációját kísérő ros szabályozására használják 2 az elektrontranszport láncban (ábra. 5). Lásd még: Citromsav ciklus

ábra. 4 Több shuttle rendszer képes redukáló ekvivalenseket mozgatni a citoplazmából a mitokondriumokba. A glicerin-3-foszfát transzfer a hidridet a citoszolos NADH-ból a Q koenzimbe mozgatja a FAD-on keresztül. A malát-aszpartát transzferrendszer a malátot, az aszpartátot, a ketoglutarátot és a glutamátot a mitokondriális belső membránon keresztül mozgatja, hogy a citoszolos NADH oxidációját összekapcsolja a mitokondriális nad+redukciójával. Ezeknek a fluxusoknak az irányát és mértékét korlátozza a légzéstől függő NADH reoxidáció az I. komplex által. (hitel: Carli Hansen illusztrációja)

ábra. 5 a glükóz teljes oxidációja vagy a pentóz-foszfát út oxidatív és nem oxidatív fázisait (nem ábrázolva), vagy a glikolízist és a légzéshez kapcsolódó citromsavciklust kapcsolja be. (Hitel: Carli Hansen illusztrációja)

a glükóz oxidációval ellentétben a trigliceridek (semleges lipidek, amelyek három zsíros Acil-láncból állnak glicerin gerinchez észterezve) teljes oxidációja szinte teljes egészében aerob (ábra. 6). A glicerin piruváttá történő oxidációja egy citoszolos NADH-t eredményez anaerob módon, míg a telített páros számú zsírsavak, amelyek Co-vá oxidálódnak2 a mitokondriumokban az összes elektron elfogódik NAD+ és FAD, szükségessé téve O2 mint a végső elektron akceptor. A zsírsav-szénatomok aránya a glicerin-szénatomokhoz egy trigliceridben jelzi, hogy mennyire aerob igényű a triglicerid oxidációja. Például egy trigliceridben, amely három 16-C zsírsavat tartalmaz, egyetlen citoszolos NADH keletkezik >140 redukált mitokondriális koenzim, amely a 48 zsírsavból származó acetil–koenzim A (Ac-CoA) molekula előállítása és oxidációja során keletkezik. Figyelembe véve, hogy a citoszolos NADH hatékonyan újraoxidálható aerob módon a malát-aszpartát transzferen vagy a glicerin-3-foszfát transzferen keresztül, és hogy a glicerinből származó piruvát a mitokondriumokban is oxidálható, egy tipikus triglicerid teljes oxidációja elegendő oxigént igényelhet körülbelül 150 mitokondriális NADH és FADH2 ekvivalens reoxidálásához. Lásd még: Lipid; Lipid anyagcsere; Triglicerid (triacil-glicerin)

ábra. 6 A trigliceridek zsírsav-részeinek teljes oxidációja függ a 6-oxidációs enzimektől, a citromsavciklustól és a légzéselektron transzportlánctól. (Hitel: Illusztráció: Carli Hansen)

azt is ki kell emelni, hogy az aminosav-oxidáció az O2-igényében közbenső a glikolízis és a mitokondriális zsírsav-oxidáció között, mivel egyes redukált kofaktorok a citoszolban, mások pedig a mitokondriumokban termelődnek. Lásd még: aminosav; Aminosav metabolizmus

a másik szempont, amely a celluláris O2 szükséglet nagyságát irányítja, az, hogy a sejt milyen mértékben van elfoglalva olyan reakciókkal, amelyek megkövetelik a NADH és NADPH hidridjét, és hogy a redukáló ekvivalensek citoszolikusan előállíthatók-e. A kandallóval ellentétben, amelynek célja az üzemanyag teljes elégetése a hő előállítása érdekében (ábra. 2), az élőlények megteremtik és megjavítják mindazt, amiből készültek, és elvégzik a pihenés és az aktív anyagcsere munkáját az élelmiszerek fogyasztásából.

így az élet logikája olyan, hogy a belső mitokondriális membránban a citokróm C-n hordozott viszonylag alacsony energiájú elektronok sokkal kevesebb energiával rendelkeznek értelmes munka elvégzéséhez, mint a citoszolos NADPH-n hordozott elektronok. Az előbbi adományozhat O-nak2 víz előállításához, miután már létrehozott egy protongradienst a NADH nagy energiájú állapotából az alacsony energiájú állapotba redukált citokróm C-ben. Ezért logikátlan lenne, ha a sejtek túl messzire engednék az elektronokat lefelé áramolni, ha bioszintetikus reakciókhoz szükségesek.