processen för cellulär andning

den övergripande processen för cellulär andning kan liknas vid vatten som rinner nerför en flod som driver en turbin. Att bygga och underhålla turbinen är energiberoende processer, vattenflödet fungerar med tyngdkraften så länge det finns vatten uppströms. På samma sätt, även om produktion och underhåll av mitokondriella enzymer, cellmembran och kofaktorer är energiberoende processer, är bränsleoxidation och andningselektronflöde exoterm (det vill säga de frigör värme). Elektroner flyter i cellulär andning precis som de flyter i andra elektriska kretsar, mot acceptorer av högre elektronaffinitet.

vid det inre mitokondriella membranet använder komplexen i, III och IV (som reoxiderar de reducerade formerna av NAD+, koenzym Q respektive cytokrom C) sina högre elektronaffiniteter för att pumpa protoner över membranet för att generera en protongradient. Precis som kostnaden för att vrida en vattenturbin betalas av vatten som strömmar nedströms, betalas kostnaden för pumpning av protoner av elektroner som strömmar från högre energitillstånd till lägre energitillstånd. Se även: Proton

retur av protoner genom enzymet FoF1 ATP-syntas genererar ATP genom oxidativ fosforylering (Fig. 1), medan retur av protoner genom protonporer (såsom frikopplingsproteiner) genererar värme (Fig. 3). Eftersom elektronaffinitet följer ett gradientmönster av O2 > cytokrom C > koenzym Q > FAD > nad+, överför bränsleoxidation vanligtvis elektroner först till NAD+ och/eller FAD, och sedan till koenzym Q, cytokrom C och O2, med många ytterligare proteinbundna metallkluster som intermediärer i komplexen i, ii, iii och IV.

Fig. 3 elektronflöde genom andningselektrontransportkedjan kan generera reaktiva syrearter (ROS). Genom att flytta reducerande ekvivalenter från NADH till NADPH kan nikotinamidnukleotidtranshydrogenas generera NADPH för att återaktivera glutation för att avgifta ROS. Denna aktivitet är protonberoende, så den är direkt konkurrenskraftig med ATP och/eller värmeproduktion och är NADH-beroende, så den är konkurrenskraftig med initiering av elektrontransportkedjan vid komplex I. (kredit: Illustration av Carli Hansen)

små stegvisa ökningar i elektronaffinitet manifesteras av små droppar i elektronfri energi längs respiratorisk elektronkedja. De små skillnaderna tjänar till att minimera värmeproduktionen och minimera produktionen av superoxid (•O2−) och hydroxyl (•OH) fria radikaler. Dessa reaktiva föreningar bildas genom kollision mellan den radikala formen av koenzym Q (•Q−) och O2 (Fig. 3). Skador som produceras av reaktiva syrearter (ROS) är en uppenbar kostnad för aerob metabolism, och ROS i form av väteperoxid (H2O2) och fosfolipidhydroperoxider styrs av glutationreduktaser och glutationperoxidaser, som beror på NADPH som reduktionsmedel för att återaktivera oxiderad glutation. Således, under betingelser av ROS, finns det en större efterfrågan på NADPH för reparationsfunktioner än för NADH för oxidativ fosforylering. Dessutom har mitokondrier ett enzym som kallas nikotinamidnukleotidtranshydrogenas (NNT) som kan överföra hydrid från NADH till NADP+ för att generera NADPH. Protoner återvänder genom NNT för att driva denna katalytiska process på ett sätt som är direkt konkurrenskraftigt med produktion av ATP och värme (Fig. 3). Se även: fri energi; fria radikaler; väteperoxid; Superoxidkemi

respiratoriska krav varierar beroende på typ av bränsle, av balansen mellan katabolism och anabolism där en cell är förlovad och av den grad till vilken cellen producerar cytosolisk NADPH anaerobt genom processer såsom pentosfosfatvägen (i vilken glukos metaboliseras eller omvandlas till NADPH).medan processen med glukos till pyruvatoxidation är anaerob, kan elektronerna som fångas på NADH i glyceraldehydfosfatdehydrogenasteget användas i oxidativ metabolism på grund av laktattransport till en annan vävnad och/eller överföring till mitokondrier genom andra mekanismer, inklusive malat-aspartatbussen och glycerol-3-fosfatbussen (Fig. 4). När pyruvat oxideras fullständigt till CO2 i mitokondrier genom den kombinerade verkan av pyruvatdehydrogenas och citronsyracykeln (Krebs-cykeln) fångas elektroner på NADPH, NADH och FADH2, vilket kräver O2 som elektronacceptor för att reoxidera NADH och FADH2. NADPH bildad genom verkan av isocitratdehydrogenas (ett mitokondriellt citronsyraenzym) används till stor del för att kontrollera ROS som åtföljer aerob reoxidering av NADH och FADH2 i elektrontransportkedjan (Fig. 5). Se även: Citronsyra cykel

Fig. 4 Flera skyttelsystem kan flytta reducerande ekvivalenter från cytoplasman till mitokondrier. Glycerol-3-fosfatbussen flyttar hydrid från cytosolisk NADH till koenzym Q genom FAD. Malate-aspartate shuttle-systemet flyttar malat, aspartat, sackaros-ketoglutarat och glutamat över det mitokondriella inre membranet för att koppla oxidation av cytosolisk NADH till reduktion av mitokondriell NAD+. Riktningen och graden av dessa flöden begränsas av andningsberoende NADH-reoxidering med komplex I. (kredit: Illustration av Carli Hansen)

Fig. 5 Total oxidation av glukos engagerar antingen de oxidativa och icke-oxidativa faserna i pentosfosfatvägen (ej visad) eller glykolys och citronsyracykeln kopplad till andning. (Kredit: Illustration av Carli Hansen)

i motsats till glukosoxidation är den fullständiga oxidationen av triglycerider (neutrala lipider bestående av tre feta acylkedjor förestrade till en glycerol-ryggrad) nästan helt aerob (Fig. 6). Glycerol oxidation till pyruvat producerar en cytosolisk NADH anaerobt, medan mättade jämnt numrerade fettsyror som oxideras till CO2 i mitokondrier har alla elektroner fångade på NAD+ och FAD, vilket kräver O2 som den ultimata elektronacceptorn. Förhållandet mellan fettsyrakol och glycerolkol i en triglycerid ger en indikation på hur aerobt krävande triglyceridoxidation är. Till exempel, i en triglycerid som innehåller tre 16-C fettsyror, genereras en enda cytosolisk NADH per >140 reducerade mitokondriella koenzymer genererade vid produktion och oxidation av de 48 fettsyra–härledda acetyl-koenzym A (Ac-CoA) molekyler. Med tanke på att den cytosoliska NADH effektivt kan reoxideras aerobt via malat-aspartatbussen eller glycerol-3-fosfatbussen och att det glycerol-härledda pyruvatet också kan oxideras i mitokondrier, kan fullständig oxidation av en typisk triglycerid kräva tillräckligt med syre för att reoxidera cirka 150 mitokondriella NADH-och FADH2-ekvivalenter. Se även: Lipid; lipidmetabolism; Triglycerid (triacylglycerol)

Fig. 6 den totala oxidationen av fettsyradelarna av triglycerider beror på oxidationsenzymer i form av oxidering, citronsyracykeln och transportkedjan för andningselektron. (Kredit: Illustration av Carli Hansen)

det bör också påpekas att aminosyraoxidation är mellanliggande i sitt O2-krav mellan glykolys och mitokondriell fettsyraoxidation eftersom vissa reducerade kofaktorer produceras i cytosolen och andra produceras i mitokondrierna. Se även: aminosyra; Aminosyrametabolism

det andra övervägandet som styr storleken på ett cellulärt O2-krav är i vilken grad en cell är upptagen med reaktioner som kräver att hydriden bärs på NADH och NADPH och om reducerande ekvivalenter kan produceras cytosoliskt. Till skillnad från en öppen spis, vars syfte är att förbränna bränsle helt för att generera värme (Fig. 2), levande saker skapar och reparerar allt som de är gjorda av och utför arbetet med vila och aktiv metabolism från att konsumera mat.

således är livets logik sådan att de relativt låga energielektronerna som bärs på cytokrom C i det inre mitokondriella membranet har mycket mindre kraft att göra meningsfullt arbete än elektronerna som bärs på cytosolisk NADPH. Den förstnämnda kan donera till O2 för att generera vatten, som redan har genererat en protongradient i nedstigningen från högenergitillståndet i NADH till lågenergitillståndet i reducerat cytokrom C. Den senare kan donera elektroner till beta-keto-grupper och alkener för att utföra reduktiv biosyntes. Därför skulle det vara ologiskt för celler att låta elektroner strömma nedförsbacke för långt om de behövs för biosyntetiska reaktioner.