proces oddychania komórkowego

ogólny proces oddychania komórkowego można porównać do wody płynącej w dół rzeki, która napędza turbinę. Podczas gdy budowa i utrzymanie turbiny są procesami zależnymi od energii, przepływ wody działa grawitacyjnie, o ile Woda znajduje się w górę rzeki. Podobnie, chociaż wytwarzanie i utrzymywanie enzymów mitochondrialnych, błon komórkowych i kofaktorów jest procesem zależnym od energii, utlenianie paliwa i przepływ elektronów oddechowych są egzotermiczne (to znaczy uwalniają ciepło). Elektrony przepływają w oddychaniu komórkowym dokładnie tak, jak przepływają w innych obwodach elektrycznych, w kierunku akceptorów o wyższym powinowactwie elektronowym.

w wewnętrznej błonie mitochondrialnej kompleksy I, III I IV (które reoksydują zredukowane formy NAD+, Koenzym Q i cytochrom C, odpowiednio) wykorzystują swoje wyższe powinowactwa elektronowe do pompowania protonów przez błonę w celu wytworzenia gradientu protonu. Podobnie jak koszt obracania turbiny wodnej jest pokrywany przez wodę spływającą w dół rzeki, koszt pompowania protonów jest pokrywany przez elektrony przepływające ze Stanów o wyższej energii do Stanów o niższej energii. Zobacz też: Proton

powrót protonów przez enzym fof1 syntaza ATP wytwarza ATP przez fosforylację oksydacyjną (Fig. 1), podczas gdy powrót protonów przez pory protonów (takie jak odłączające się białka) generuje ciepło (rys. 3). Ponieważ powinowactwo elektronów przebiega zgodnie ze wzorem gradientu O2 > cytochrom C > Koenzym Q > fad > NAD+, utlenianie paliwa zazwyczaj przenosi elektrony najpierw do NAD+ i/lub FAD, a następnie do Koenzym Q, cytochrom C i O2, z wieloma dodatkowymi wiązanymi białkami klastrami metali jako półprodukty w kompleksach i, II, III I IV.

rys. 3 przepływ elektronów przez łańcuch transportu elektronów oddechowych może generować reaktywne formy tlenu (ROS). Przenosząc odpowiedniki redukujące z NADH do NADPH, transhydrogenaza nukleotydów nikotynamidowych może wytworzyć NADPH w celu reaktywacji glutationu w celu detoksykacji ROS. Ta aktywność jest zależna od protonów, więc jest bezpośrednio konkurencyjna z ATP i / lub produkcją ciepła, i jest zależna od NADH, więc jest konkurencyjna z inicjacją łańcucha transportu elektronów w kompleksie I. (źródło: Ilustracja Carli Hansen)

Małe stopniowe zwiększenie powinowactwa elektronów objawia się małymi kroplami energii swobodnej elektronów wzdłuż łańcucha elektronów oddechowych. Niewielkie różnice służą zminimalizowaniu produkcji ciepła i zminimalizowaniu produkcji wolnych rodników ponadtlenkowych (•O2−) i hydroksylowych (•OH). Te reaktywne związki powstają w wyniku zderzenia pomiędzy rodnikową formą koenzymu Q (*Q -) i O2 (Fig. 3). Uszkodzenia wytwarzane przez reaktywne formy tlenu (ROS) są oczywistym kosztem metabolizmu tlenowego, a ROS w postaci nadtlenku wodoru (H2O2) i hydroperoksydów fosfolipidowych są kontrolowane przez reduktazy glutationu i peroksydazy Glutationowe, które zależą od NADPH jako środka redukującego do reaktywacji utlenionego glutationu. Tak więc, w Warunkach ROS, istnieje większe zapotrzebowanie na NADPH dla funkcji naprawczych niż na NADH dla fosforylacji oksydacyjnej. Co więcej, mitochondria mają enzym zwany transhydrogenazą nukleotydów nikotynamidowych (NNT), który może przenosić wodorek z NADH do NADP+ w celu wytworzenia NADPH. Protony powracają przez NNT w celu napędzania tego procesu katalitycznego w sposób bezpośrednio konkurencyjny w stosunku do produkcji ATP i ciepła (Fig. 3). Zobacz też: darmowa energia; wolne rodniki; nadtlenek wodoru; Chemia ponadtlenkowa

wymagania oddechowe różnią się w zależności od rodzaju paliwa, równowagi między katabolizmem i anabolizmem, w którym komórka jest zaangażowana, oraz stopnia, w jakim komórka wytwarza cytozolowy NADPH beztlenowo w procesach takich jak Szlak fosforanowy pentozy (w którym glukoza jest metabolizowana lub przekształcana w NADPH).

podczas gdy proces utleniania glukozy do pirogronianu jest beztlenowy, elektrony wychwycone na NADH w etapie dehydrogenazy fosforanu glicerolu mogą być stosowane w metabolizmie oksydacyjnym dzięki transportowi mleczanów do innej tkanki i / lub przenoszeniu do mitochondriów za pomocą innych mechanizmów, w tym transfer jabłczan-asparaginian i transfer glicerolu-3-fosforanu (Fig. 4). Gdy pirogronian jest w pełni utleniony do CO2 w mitochondriach przez połączone działanie dehydrogenazy pirogronianowej i cyklu kwasu cytrynowego (cykl Krebsa), elektrony są wychwytywane na NADPH, NADH i FADH2, co wymaga O2 jako akceptora elektronów do ponownego utleniania NADH i FADH2. NADPH utworzony przez działanie dehydrogenazy izocyt (mitochondrialnego enzymu kwasu cytrynowego) jest stosowany głównie do kontroli ROS, które towarzyszą tlenowej reoksydacji NADH i FADH2 w łańcuchu transportu elektronów (Fig. 5). : Cykl kwasu cytrynowego

rys. 4 Systemy wielokrotnego transportu mogą przenosić redukujące odpowiedniki z cytoplazmy do mitochondriów. Transfer glicerolu-3-fosforanu przenosi wodorek z cytozolowego NADH do koenzymu Q poprzez FAD. Układ transferowy jabłczan-asparaginian przenosi jabłczan, asparaginian, α-ketoglutaran i glutaminian przez wewnętrzną błonę mitochondrialną, aby połączyć utlenianie cytozolowego NADH z redukcją mitochondrialnego NAD+. Kierunek i stopień tych strumieni są ograniczone przez reoksydację nadh zależną od układu oddechowego przez kompleks I. (źródło: Ilustracja Carli Hansen)

rys. Całkowite utlenianie glukozy odbywa się albo w fazie oksydacyjnej i nieoksydacyjnej szlaku fosforanu pentozy (nie wykazano), albo w fazie glikolizy i cyklu kwasu cytrynowego związanego z oddychaniem. (Kredyt: Ilustracja Carli Hansen)

w przeciwieństwie do utleniania glukozy, całkowite utlenianie trójglicerydów (obojętne lipidy składające się z trzech łańcuchów acylowych tłuszczowych estryfikowanych do szkieletu glicerolu) jest prawie całkowicie tlenowe (rys. 6). Utlenianie glicerolu do pirogronianu wytwarza jeden cytozolowy NADH beztlenowo, podczas gdy nasycone parzyste kwasy tłuszczowe, które są utleniane do CO2 w mitochondriach, mają wszystkie elektrony wychwytywane NA NAD+ i FAD, co wymaga O2 jako ostatecznego akceptora elektronów. Stosunek węgli kwasów tłuszczowych do węgli glicerolu w trójglicerydach wskazuje, jak trudne jest tlenowe utlenianie trójglicerydów. Na przykład w trójglicerydzie, który zawiera trzy kwasy tłuszczowe 16-C, powstaje pojedynczy CYTOZOLOWY NADH na>140 zredukowanych koenzymów mitochondrialnych generowanych w procesie produkcji i utleniania 48 cząsteczek Acetylo–koenzymu A (Ac-CoA) pochodzącego z kwasów tłuszczowych. Biorąc pod uwagę, że cytozolowy NADH może być skutecznie reoksydowany tlenowo przez transfer jabłczano-asparaginianowy lub transfer glicerolu-3-fosforanowy i że pirogronian pochodzący z glicerolu może być również utleniony w mitochondriach, całkowite utlenianie typowego trójglicerydu może wymagać wystarczającej ilości tlenu do reoksydacji około 150 mitochondrialnych odpowiedników NADH i fadh2. Zobacz też: lipidy; metabolizm lipidów; Trójglicerydy (triacyloglicerol)

rys. 6 całkowite utlenianie części kwasów tłuszczowych trójglicerydów zależy od enzymów β-utleniania, cyklu kwasu cytrynowego i łańcucha transportu elektronów oddechowych. (Kredyt: Ilustracja Carli Hansen)

należy również zauważyć, że utlenianie aminokwasów jest pośrednie w wymaganiu O2 między glikolizą a utlenianiem mitochondrialnych kwasów tłuszczowych, ponieważ niektóre zredukowane kofaktory są wytwarzane w cytozolu, a inne w mitochondriach. Zobacz też: aminokwasy; Metabolizm aminokwasów

inną kwestią, która kieruje wielkością komórkowego zapotrzebowania na O2, jest stopień, w jakim komórka jest zajęta reakcjami, które wymagają wodorku przenoszonego na NADH i NADPH oraz to, czy Równoważniki redukujące mogą być wytwarzane cytosolicznie. W przeciwieństwie do kominka, którego celem jest całkowite spalanie paliwa w celu wytworzenia ciepła (rys. 2), żywe istoty tworzą i naprawiają wszystko, z czego są zbudowane, i wykonują pracę odpoczynku i aktywnego metabolizmu ze spożywania żywności.

tak więc logika życia jest taka, że relatywnie niskoenergetyczne elektrony przenoszone na cytochrom C w wewnętrznej błonie mitochondrialnej mają znacznie mniejszą moc do wykonywania znaczącej pracy niż elektrony przenoszone na cytochrom C w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Te pierwsze mogą przekazywać O2 w celu wytworzenia wody, generując już gradient protonu w zejściu ze stanu wysokoenergetycznego w NADH do stanu niskoenergetycznego w zredukowanym cytochromie C. te ostatnie mogą przekazywać elektrony do grup beta-ketonowych i alkenów w celu przeprowadzenia redukcyjnej biosyntezy. Dlatego byłoby nielogiczne dla komórek pozwolić elektrony płynąć w dół zbyt daleko, jeśli są one potrzebne do reakcji biosyntetycznych.