Aerob respiration: Mekanism för aerob respiration förklaras!

Läs den här artikeln för att lära dig om mekanismen för aerob andning!

Andning börjar med glukos (vanligtvis). Vid aerob och anaerob andning är initiala reaktioner vanliga som ett resultat av vilken pyruvsyra bildas genom nedbrytning av glukos.

Processen kallas glykolys eller EMP-vägen (Embden-Meyerhof-Parnas Pathway). Denna process kräver inte O2 även om detta kan ske i närvaro av syre. Efter detta steg är pyramidsyraets öde annorlunda beroende på närvaron eller frånvaron av syre.

Om syre är närvarande är fullständig oxidering av pyruvsyra till H2O och CO2 och kemiska reaktioner genom vilka detta inträffar kallas tri-karboxylsyracykel (TCA-cykel) eller Krebs-cykel. Denna cykel uppträder i mitokondrier. Om syre är frånvarande bildar pyruvsyra etylalkohol (C2H5OH) och CO2 utan hjälp av någon cellorganell. Denna process kallas anaerob andning.

Aerob Respiration:

Aerob andning är ett enzymatiskt kontrollerat utsläpp av energi i en stegvis katabolisk process av fullständig oxidation av organisk mat i koldioxid och vatten med syre som verkar som terminal oxidant. Den gemensamma mekanismen för aerob andning kallas också gemensam väg eftersom dess första steg, kallat glykolys, är vanligt för både aeroba och anaeroba andningsvägar. Den gemensamma aeroba andningen består av tre steg-glykolys, Krebs-cykel och terminal oxidation.

glykolys:

Det kallas också EMP-vägen eftersom det upptäcktes av tre tyska forskare Embden, Meyerhof och Parnas. Glykolys är processen för nedbrytning av glukos eller liknande hexosocker till pyrodruesyramolekyler genom en serie enzymmedierade reaktioner som frigör lite energi (som ATP) och reducerande effekt (som NADH 2 ). Det förekommer i cytoplasman. Det sker i följande understeg.

1. Fosforylering:

Glukos fosforyleras till glukos-6-fosfat genom ATP i närvaro av enzymhexokinas (Meyerhof, 1927) eller glukokinas (t.ex. lever) och Mg2 + .

2. Isomerisering:

Glukos-6-fosfat byts till isomer fruktos-6-fosfat med hjälp av enzym fosfoshexosisomeras.

Fruktos-6-fosfat kan också produceras direkt genom fosforylering av fruktos med hjälp av enzym fruktokinas.

3. Fosforylering:

Fruktos-6-fosfat fosforyleras vidare med hjälp av ATP i närvaro av enzymfosfofructokinas och Mg2 + . Produkten är fruktos-1, 6-difosfat.

4. Splitting:

Fruktos-1, 6-difosfat splittras enzymatiskt för att bilda en molekyl vardera av 3-kolföreningar, glyceraldehyd-3-fosfat (= GAP eller 3-fosfoglyceraldehyd = PGAL) och dihydroxiaceton 3-fosfat (DIHAP). Den senare ändras vidare till glyceraldehyd-3-fosfat medelst enzymtriosfosfatisomeras (= fosfotiosisomeras).

5. Dehydrogenering och fosforylering:

I närvaro av enzymglyceraldehydfosfatdehydrogenas förlorar glyceraldehyd-3-fosfat väte till NAD för att bilda NADH2 och accepterar oorganiskt fosfat för att bilda 1, 3-difosfoglycerinsyra.

6. Formation av ATP:

Ett av de två fosfaterna av difosfoglyeeriensyra i koppling med hög energibindning. Det kan syntetisera ATP och bilda 3-fosfoglycerinsyra. Enzymet är fosfoglycerylinas. Den direkta syntesen av ATP från metaboliter kallas substratnivåfosforylering.

7. Isomerisering:

3-fosfoglycerinsyra ändras till sin isomer 2-fosfoglycerinsyra genom zymfosfoglyceromutas.

8. Dehydrering:

Genom agenturen av enzymetolys omvandlas 2-fosfoglycerinsyra till fosfoenolpyruvat (PEP). En molekyl av vatten avlägsnas i processen. Mg 2+ krävs.

9. Formation av ATP:

Under bildandet av fosfoenolpyruvat tar fosfatradikalen upp energi. Det hjälper till att producera ATP genom substratnivå fosforylering. Enzymet är pyrovkinas. Det producerar pyruvat från fosfoenolpyruvat.

Netto produkter av glykolys:

I glykolys konsumeras två molekyler av ATP under dubbel fosforylering av glukos för att bilda fruktos-1, 6-difosfat. I gengäld produceras fyra molekyler av ATP genom substratnivåfosforylering (omvandling av 1, 3 difosfoglycerinsyra till 3-fosfoglycerinsyra och fosfenolpyruvat till pyruvat). Två molekyler av NADH2 bildas vid tiden för oxidering av glyceraldehyd-3-fosfat till 1, 3-difosfoglycerinsyra. Nettoeaktionen är som följer:

Glukos + 2NAD + + 2ADP + 2H3P04 + 2H3P04-> 2 Pyruvat + 2NADH + 2H + + 2ATP

Krebs cykel:

Cykeln upptäcktes av Hans Krebs (1937, 1940, Nobelpris 1953). Det förekommer inom mitokondrier. Cykeln kallas också som citronsyracykel eller trikarboxylsyra (TCA) cykel efter den ursprungliga produkten. Krebs-cykeln är stegvis oxidativ och cyklisk nedbrytning av aktiverat acetat härrörande från pyruvat.

Oxidering av pyruvat till acetyl-CoA:

Pyruvat går in i mitokondrier. Det dekarboxyleras oxidativt för att producera CO 2 och NADH. Produkten kombineras med svavelinnehållande koenzym A för att bilda acetyl CoA eller aktiverat acetat. Reaktionen sker i närvaro av ett enzymkomplexpyvvatdehydrogenas (består av en dekarboxylas, liposyra, TPP, transacetylas och Mg2 + ).

Acetyl CoA fungerar som substratintegrant för Krebs-cykeln. Acceptorns molekyl för Krebs-cykeln är ett 4-kolföreningoxaloacetat. Curbs cykel innefattar två dekarboxyleringar och fyra dehydrogener. De olika komponenterna i Krebs-cykeln är som följer.

1. Kondens:

Acetyl CoA (2-kolförening) kombinerar med oxaloacetat (4-kolförening) i närvaro av kondenserande enzym-citratsyntetas för att bilda en trikarboxyl-6-kolförening som kallas citronsyra. Det är den första produkten av Krebs-cykeln. CoA frigörs.

2. Dehydrering:

Citrat genomgår omorganisering i närvaro av akonitasbildande cisakonitatutlösande vatten.

3. Hydrering:

Cis-akonitat omvandlas till isokitrat med tillsats av vatten i närvaro av järninnehållande enzymakonitas.

4. Dehydrogenering:

Isocitrat dehydrogeneras till oxalosuccinat i närvaro av enzymisocitratdehydrogenaser och Mn2 + . NADH 2 (NADPH 2 ) enligt vissa arbetstagare) produceras.

5. Dekarboxylering:

Oxalosuccinat dekarboxyleras för att bilda a-ketoglutarat genom enzymdekarboxylas. Koldioxid frigörs.

6. Dehydrogenering och dekarboxylering:

a-Ketoglutarat dehydrogeneras båda (med hjälp av NAD + ) och dekarboxyleras av ett enzymkomplex a-ketoglutarat-dehydrogenas. Enzymkomplexet innehåller TPP och liposyra. Produkten kombinerar med CoA för att bilda succinyl CoA.

7. Formation av ATP / GTP:

Succinyl CoA påverkas av enzym succinyltiokinas för att bilda succinat. Reaktionen frigör tillräcklig energi för att bilda ATP (i växter) eller GTP (hos djur).

8. Dehydrogenering:

Succinat genomgår dehydrogenering för att bilda fumarat med hjälp av ett dehydrogenas. FADH 2 (reducerad flavin-adenindinukleotid) produceras.

Succinat + FAD-Succinat, → Dehydrogenas, Fumarat + FADH 2

9. Hydrering:

En molekyl av vatten tillsätts fumarat för att bilda malat. Enzymet kallas fumaras.

10. Dehydrogenering:

Malat dehydrogeneras eller oxideras genom organet av malat dehydrogenas för att producera oxaloacetat. Vätgas accepteras av NADP + NAD +

Oxaloacetat plockar upp en annan molekyl av aktiverat acetat för att upprepa cykeln.

En glukosmolekyl ger två molekyler NADH2, 2ATP och två pyruvat medan de genomgår glykolys. De två molekylerna pyruvat bryts fullständigt ned i Krebs-cykeln för att bilda två molekyler av ATP, 8NADH2 och 2FADH2.

Glukos + 4ADP + 4H3P04 + 10NAD + + 2FAD -> 6CO2 + 4ATP + 10NADH + 10H + + 2FADH 2

Terminaloxidation:

Det är namnet oxidation som finns i aerob andning som inträffar i slutet av katabolisk process och involverar passage av både elektroner och protoner av reducerade koenzymer till syre.

Terminal oxidation består av två processer-elektron transport och oxidativ fosforylering.

Elektron transport kedja:

Inre mitokondriska membran innehåller grupper av elektron- och protontransporterande enzymer. I varje grupp är enzymerna anordnade i en specifik serie, kallad elektrontransportkedja (ETC) eller mitokondriell respirationskedja eller elektrontransportsystem (ETS).

En elektrontransportkedja eller -system är en serie koenzymer och cytokromer som deltar i elektronernas passage från en kemikalie till dess ultimata acceptor. Övergången av elektroner från ett enzym eller cytokrom till nästa är en nedförsbacke med energiförlust vid varje steg. Vid varje steg innefattar elektronbärarna flaviner, järn svavelkomplex, kinoner och cytokromer.

De flesta av dem är protetiska grupper av proteiner. Quinones är mycket mobila elektronbärare. Fyra enzymer är involverade i elektrontransport- (i) NADH-Q-reduktas eller NADH-dehydrogenas (ii) Succinat Q-reduktaskomplex (iii) QH2-cyktochrom-c-reduktaskomplex (iv) Cytokrom-c-oxidas-komplex. NADH-Q-reduktas (eller NADH-dehydrogenas) har två protetiska grupper, flavinmononukleotid (FMN) och järn svavel (Fe-S) komplex. Både elektroner och protoner passerar från NADH 2 till FMN. Den senare är reducerad.

NADH + H + + FMN -> FMNH 2 + NAD +

Elektron flyttar nu till FeS-komplexet och därifrån till en kinon. Den vanliga kinonen är koenzym Q, även kallad ubiquinon (UQ).

FMNH 2 + 2Fe 3+ S -> FMN + 2Fe 2 + S + 2H +

2Fe2 + S + Q + 2H + -> 2Fe3 + S + QH2

FADH 2 producerad under reduktion av succinat överför också dess elektroner och protoner till koenzym Q genom FeS-komplex. Enzymet är succinat-Q-reduktas-komplex.

FADH 2 + 2Fe 3+ S -> 2Fe 2 + S + 2H + + FAD

2Fe2 + S + Q + 2H + -> 2Fe3 + S + QH2

QH 2 -cytokrom c-reduktaskomplexet har tre komponenter-cytokrom b, FeS-komplex och cytokrom c 1 . Koenzym Q kan också vara involverat mellan FeS-komplexet och cytokrom c 1 .

QH2 + 2Fe3 + cyt.b -> Q + 2H + + Fe2 + cyt.b

2Fe2 + cyt.b + 2Fe3 + S-> 2Fe3 + cyt.b + 2Fe2 + S

2Fe2 + S + Q + 2H + -> 2Fe3 + S + QH2 (a)

QH2 + 2Fe3 + cyt.c1 -> Q + 2H + + 2Fe2 + cyt.c1

Cytokrom c 1 överför sin elektron till cytokrom c. Liksom koenzym Q är cytokrom c också mobilbärare av elektroner.

2Fe 2 + cyt.c 1 + 2Fe 3+ cyt.c -> 2Fe3 cyt.c1 + 2Fe2 + cyt.c

Cytokrom c-oxidaskomplexet innefattar cytokrom a och cytokrom a 3 . Cytokrom a 3 har också koppar. Det senare hjälper till vid överföring av elektron till syre.

2Fe2 + cyt.c + 2Fe3 + cyt.a -> 2Fe3 + cyt.c + 2Fe2 + Cyt.a

2Fe 2 + cyt.a + 2Fe 3+ cyt.a 3 Cu 2+ -> 2Fe 3+ cyt.a + 2Fe 2+ cyt.a 3 Cu 2+

2Fe 2 cyt.a 3 Cu 2+ -> 2Fe 3 cyt.c 3 Cu 1+

2Fe 3 cyt.a 3 Cu 1+ + [0] -> 2Fe 3+ cyt.a 3 Cu 2+ + [0]

Syre är den ultimata acceptorn av elektroner. Det blir reaktivt och kombinerar med protoner för att bilda metaboliskt vatten.

2H + + 0 "---> 2H20

Energi som släpps under överföring av elektroner från en bärare till nästa är tillgänglig för specifika transmembrankomplex, vilka pumpprotoner ((H + ) från matrissidan av det inre mitokondriella membranet till ytterkammaren. Det finns tre sådana platser som motsvarar tre enzymer närvarande i elektrontransportkedjan (NADH-Q-reduktas, QH2-cytokrom-c-reduktas och cytokrom-c-oxidas).

Detta ökar protonkoncentrationen i ytterkammaren eller yttre ytan av det inre mitokondriella membranet. Skillnaden i protonkoncentrationen på yttre och inre sidor av det inre mitokondriella membranet är känt som protongradient.

Oxidativ fosforylering:

Oxidativ fosforylering är syntesen av energirika ATP-molekyler med hjälp av energi frigjort under oxidering av reducerade koenzymer (NADH 2, FADH 2 ) som produceras vid andning. Det enzym som krävs för denna syntes kallas ATP-syntetas.

Den är belägen i F 1 eller huvuddelen av F 0 -F 1 eller elementära partiklar närvarande i det inre mitokondriella membranet. ATP-syntetas blir aktiv endast vid ATP-bildning där det finns en protongradient med högre koncentration av H + eller protoner på FO-sidan jämfört med F1-sidan (kemiosmotisk hypotes av Peter Mitchel, 1961).

Ökad protonkoncentration produceras i ytterkammaren eller yttre ytan av det inre mitokondriella membranet genom att trycka på protoner med hjälp av energi som frigörs genom passage av elektroner från en bärare till en annan.

Transport av elektronerna från nadh 2 över ETC hjälper till att trycka tre par protoner till ytterkammaren medan två par protoner sänds utåt under elektronflödet från fadh 2 (eftersom den senare donerar sina elektroner längre ner till ETC).

Högre protonkoncentration i ytterkammaren medför att protonen passerar inåt i matris eller inre kammare genom det inre membranet. Den senare har speciella protonkanaler i regionen FQ (bas) av F0-F1-partiklarna.

Flödet av protoner genom FO-kanalen inducerar F, partiklar att fungera som ATP-syntetas. Energin hos protongradienten användes vid fastsättning av en fosfat-radikel till ADP genom hög energi-bindning. Detta ger ATP. Oxidation av en molekyl NADH 2 producerar 3 ATP-molekyler medan en liknande oxidation av FADH 2 bildar 2 ATP-molekyler.

2 ATP-molekyler produceras under glykolys och 2 ATP (GTP) molekyler under dubbel Krebs-cykel. Glykolys bildar också 2NADH 2 . Dess reducerande kraft överförs till mitokondrier för ATP-syntes. För detta arbetar ett pendlingssystem vid det inre mitokondrionsmembranet. (i) NADH 2 -> NAD -> NADH 2 . (ii) NADH 2 -> FAD -> FADH 2 .

Den förra opererar i lever-, hjärt- och njurceller. Ingen energi spenderas. Den andra metoden förekommer i muskel- och nervceller. Det sänker energinivån av 2NADH2 med 2ATP-molekyler. Totalt 10 NADH 2 och 2 FADH 2 molekyler bildas vid aerob andning.

De hjälper till att bilda 34 ATP-molekyler. Nettovinsten från fullständig oxidation av en glukosmolekyl i muskel- och nervceller är 36 ATP-molekyler (10 NADH 2 = 30 ATP, 2 FADH 2 = 4 ATP, fyra bildade genom substratnivåfosforylering i glykolys och Krebs-cykel och två förbrukad i transport av NADH 2- molekylerna till mitokondrier).

I prokaryoter, hjärta, lever och njurar produceras 38 ATP-molekyler per glukosmolekyler som oxideras. Passage av ATP-molekyler från insidan av mitokondrier till cytoplasma är genom underlättad diffusion.

Eftersom en ATP-molekyl lagrar 8, 9 kcal / mol (7 kcal / mol enligt tidiga uppskattningar) är den totala energi som fångats per gmol glukos 338, 2 kcal (266 kcal) eller en effektivitet på 49, 3% (38, 8% enligt äldre uppskattningar) . Resten av energin går förlorad som värme.

Betydelsen av Krebs-cykeln:

1. Förutom att fungera som ett energigenererande system, ger Krebs-cykeln flera ämnen som utgör utgångspunkt för ett antal biosyntetiska reaktioner. Ordinarie Krebs-respirationscykeln anses katabolisk i naturen, men den ger ett antal mellanprodukter för anabola vägar. Därför är Krebs-cykeln amfibolisk (både katabolisk och anabole). Några exempel är citerade nedan:

(a) Syntesen av sackaros genom glyoxlysyracykel är en förekomst i punkt. En lätt modifierad Krebs-cykel leder till bildningen av glyoxylat, malat, oxaloacetat, fosfoenolpyruvat och sedan genom en omvänd glykolytisk vävnad bildas sackaros.

(b) Det finns två keto-syror i Krebs-cykeln och vid aminering ger de respektive aminosyror-Pyruvinsyra -> alanin; Oxaloättiksyra -> asparaginsyra; och oc-ketoglutarsyra -> glutaminsyra.

Den sista av dessa öppnar nya vägar som leder till syntesen av glutamin, ornitin, prolin, hydroxiprolin, citruilin och arginin.

(c) Succinyl-CoA är utgångspunkten för biosyntes av flera porfyriner.

2. Krebs-cykeln är en vanlig väg för oxidativ nedbrytning av kolhydrater, fettsyror och aminosyror.