proces van cellulaire ademhaling

het totale proces van cellulaire ademhaling kan worden vergeleken met water dat langs een rivier stroomt en een turbine aandrijft. Terwijl de bouw en het onderhoud van de turbine energieafhankelijke processen zijn, werkt de waterstroom met zwaartekracht zolang er water stroomopwaarts is. Evenzo, hoewel het produceren en onderhouden van de mitochondriale enzymen, celmembranen, en cofactoren zijn energie-afhankelijke processen, brandstof oxidatie en respiratoire elektronen stroom zijn exotherm (dat wil zeggen, ze bevrijden warmte). Elektronen stromen in cellulaire ademhaling precies zoals ze stromen in andere elektrische circuits, naar acceptoren met een hogere elektronenaffiniteit.

op het binnenste mitochondriale membraan gebruiken de complexen I, III en IV (die de gereduceerde vormen van respectievelijk NAD+, co-enzym Q en cytochroom C reoxideren) hun hogere elektronenaffiniteiten om protonen door het membraan te pompen om een protongradiënt te genereren. Net zoals de kosten van het draaien van een waterturbine worden betaald door water dat stroomafwaarts stroomt, worden de kosten van het pompen van protonen betaald door elektronen die van hogere energietoestanden naar lagere energietoestanden stromen. Zie ook: Proton

terugkeer van protonen via het enzym FoF1 ATP synthase genereert ATP door oxidatieve fosforylering (Fig. 1), terwijl de terugkeer van protonen door proton poriën (zoals het ontkoppelen van eiwitten) warmte produceert (Fig. 3). Omdat elektronenaffiniteit volgt een verloop patroon van O2 > cytochroom C > co-enzym Q > FAD > NAD+, brandstof oxidatie typisch elektronen eerste tot NAD+ en/of RAGE, en vervolgens naar co-enzym Q, cytochroom C en O2, met veel extra proteïne-gebonden metalen clusters als tussenproducten in complexen I, II, III, en IV.

Fig. 3 elektronenstroom door de respiratoire elektronentransportketen kan reactieve zuurstofsoorten (ROS) genereren. Door equivalenten van NADH aan NADPH te bewegen, kan het nicotinamidenucleotide transhydrogenase NADPH produceren om glutathione te reactiveren om ROS te ontgiften. Deze activiteit is proton-afhankelijk, dus is het direct concurrerend met ATP en/of warmteproductie, en is NADH-afhankelijk, dus is het concurrerend met initiatie van de elektronentransportketen op complex I. (Credit: Illustratie door Carli Hansen)

kleine stapsgewijze verhogingen in elektronenaffiniteit manifesteren zich door kleine druppels in elektronenvrije energie langs de elektronenketen van de luchtwegen. De kleine verschillen dienen om de warmteproductie te minimaliseren en om de productie van superoxide (•O2−) en hydroxyl (•OH) vrije radicalen te minimaliseren. Deze reactieve verbindingen worden gevormd door botsing tussen de radicale vorm van co-enzym Q (*Q -) en O2 (Fig. 3). De schade die door reactieve zuurstofspecies (ROS) wordt veroorzaakt is een duidelijke kosten van aërobe metabolisme, en ROS in de vorm van waterstofperoxide (H2O2) en phospholipid hydroperoxides worden gecontroleerd door glutathionreductases en glutathionperoxidases, die van NADPH als reductiemiddel afhangen om geoxideerde glutathion te reactiveren. Aldus, onder voorwaarden van ROS, is er een grotere vraag naar NADPH voor reparatiefuncties dan naar NADH voor oxydatieve phosphorylation. Bovendien, mitochondria hebben een enzym genoemd nicotinamide nucleotide transhydrogenase (NNT) dat hydride van NADH aan NADP+ kan overbrengen om NADPH te produceren. Protonen keren terug via NNT om dit katalytische proces op een manier aan te drijven die direct concurrerend is met de productie van ATP en warmte (Fig. 3). Zie ook: vrije energie; vrije radicalen; waterstofperoxide; De respiratoire vraag naar Superoxide varieert per type brandstof, door het evenwicht tussen katabolisme en anabolisme waarbij een cel betrokken is, en door de mate waarin de cel cytosolisch NADPH anaeroob produceert via processen zoals de pentosefosfaatroute (waarbij glucose wordt gemetaboliseerd of omgezet in NADPH).

terwijl het proces van glucose tot pyruvaatoxidatie anaeroob is, kunnen de elektronen die op NADH worden gevangen in de stap glyceraldehydefosfaat dehydrogenase, worden gebruikt in het oxidatieve metabolisme door lactaattransport naar een ander weefsel en / of overdracht naar mitochondriën via andere mechanismen, waaronder de malaat-aspartaat shuttle en de glycerol-3-fosfaat shuttle (Fig. 4). Wanneer pyruvate volledig aan CO2 in mitochondria door de gecombineerde actie van pyruvate dehydrogenase en de citroenzuurcyclus (cyclus Krebs) wordt geoxideerd, worden de elektronen gevangen op NADPH, NADH, en FADH2, die O2 als elektronenacceptor nodig hebben om NADH en FADH2 te reoxideren. NADPH gevormd door de actie van isocitraatdehydrogenase (een mitochondriaal citroenzuurenzym) wordt grotendeels gebruikt om ROS te controleren die aërobe reoxidatie van NADH en FADH2 in de elektronentransportketen begeleiden (Fig. 5). Zie ook: Citroenzuurcyclus

Fig. 4 Meerdere shuttle systemen kunnen verplaatsen verminderen equivalenten van het cytoplasma naar de mitochondriën. De glycerol-3-fosfaat shuttle beweegt hydride van cytosolic NADH aan coenzyme Q door Rage. Het malaat-aspartaat shuttle systeem beweegt malaat, aspartaat, α-ketoglutaraat, en glutamaat over het mitochondriale binnenmembraan om oxidatie van cytosolic NADH aan vermindering van mitochondrial NAD+te koppelen. De richting en de mate van deze fluxen worden beperkt door respiratoire-afhankelijke NADH reoxidatie door complex I. (Credit: Illustratie door Carli Hansen)

Fig. 5 Totale oxidatie van glucose houdt ofwel de oxidatieve en niet-oxidatieve fase van de pentosefosfaatroute in (niet getoond), ofwel de glycolyse en de citroenzuurcyclus gekoppeld aan de ademhaling. (Credit: Illustration by Carli Hansen)

in tegenstelling tot glucose-oxidatie is de volledige oxidatie van triglyceriden (neutrale lipiden bestaande uit drie vetachtige acylketens veresterd tot een glycerol-backbone) bijna volledig aërobe (Fig. 6). Glyceroloxidatie aan pyruvate produceert één cytosolic NADH anaerobically, terwijl verzadigde even-genummerde vetzuren die aan CO2 in mitochondria worden geoxideerd alle elektronen op NAD+ en FAD hebben gevangen, die O2 als uiteindelijke elektron acceptor vereisen. De verhouding tussen vetzuurkoolstoffen en glycerolkoolstoffen in een triglyceride geeft een indicatie van hoe aeroob veeleisende triglycerideoxidatie is. Bijvoorbeeld, in een triglyceride dat drie 16-C vetzuren bevat, wordt één cytosolic NADH gegenereerd per >140 verminderde mitochondriale co-enzymen gegenereerd bij de productie en oxidatie van de 48 van vetzuren afgeleide acetyl–co-enzym A (Ac-CoA) moleculen. Gezien het feit dat de cytosolic NADH effectief aeroob kan worden geoxideerd via de malaat-aspartaat shuttle of de glycerol-3-fosfaat shuttle en dat de glycerol-afgeleide pyruvate ook kan worden geoxideerd in mitochondriën, kan volledige oxidatie van een typische triglyceride voldoende zuurstof vereisen om ongeveer 150 mitochondrial NADH en FADH2 equivalenten te reoxideren. Zie ook: lipide; lipidenmetabolisme; Triglyceride (triacylglycerol)

Fig. 6 De totale oxidatie van de vetzuurdelen van triglyceriden hangt af van β-oxidatieenzymen, de citroenzuurcyclus en de elektronen transportketen van de luchtwegen. (Krediet: Illustratie door Carli Hansen)

Er dient ook op te worden gewezen dat aminozuuroxidatie in zijn O2-behoefte tussen glycolyse en mitochondriale vetzuuroxidatie ligt, omdat sommige verminderde cofactoren in het cytosol worden geproduceerd en andere in de mitochondriën. Zie ook: aminozuur; Aminozuurmetabolisme

de andere overweging die de omvang van een cellulaire O2-behoefte bepaalt, is de mate waarin een cel bezig is met reacties die het hydride vereisen dat op NADH en NADPH wordt gedragen en of reductieequivalenten cytosolisch kunnen worden geproduceerd. In tegenstelling tot een open haard, waarvan het doel is om brandstof volledig te verbranden om warmte te genereren (Fig. 2), levende dingen maken en repareren alles dat ze zijn gemaakt van, en het werk van rust en actieve stofwisseling uit te voeren van het consumeren van voedsel.de logica van het leven is dus zo dat de relatief lage energie elektronen die op cytochroom C in het binnenste mitochondriale membraan worden gedragen, veel minder vermogen hebben om zinvol werk te doen dan de elektronen die op cytosolisch NADPH worden gedragen. De eerste kan aan O2 doneren om water te produceren, die reeds een protongradiënt in de afdaling van de hoge-energietoestand in NADH aan de lage-energietoestand in verminderd cytochroom C. De laatste kan elektronen aan bèta-keto-groepen en alkenen doneren om reductieve biosynthese uit te voeren. Daarom zou het onlogisch zijn voor cellen om elektronen te ver bergaf te laten stromen als ze nodig zijn voor biosynthetische reacties.