Aerob respiration

Definition

Aerob respiration er den proces, hvorved organismer bruger ilt til at omdanne brændstof, som f.eks. fedt og sukker, til kemisk energi. I modsætning hertil bruger anaerob respiration ikke ilt.

Respiration bruges af alle celler til at omdanne brændstof til energi, der kan bruges til at drive cellulære processer. Produktet af respirationen er et molekyle kaldet adenosintrifosfat (ATP), som bruger den energi, der er lagret i dets fosfatbindinger, til at drive kemiske reaktioner. Det omtales ofte som cellens “valuta”.

Aerob respiration er meget mere effektiv og producerer ATP meget hurtigere end anaerob respiration. Dette skyldes, at ilt er en fremragende elektronacceptor for de kemiske reaktioner, der er involveret i generering af ATP.

Aerob vs. anaerob

Ligheder

Både aerob og anaerob respiration er metoder til at generere energi. De starter også begge på samme måde, nemlig med glykolyseprocessen. “Glykolyse” betyder bogstaveligt talt “sukkeropsplitning” og indebærer, at et sukkermolekyle nedbrydes i to mindre molekyler.

I glykolyseprocessen forbruges der to ATP-molekyler, og der produceres fire. Dette resulterer i en nettogevinst på to producerede ATP-molekyler for hvert sukkermolekyle, der nedbrydes gennem glykolysen. Her slutter lighederne mellem aerob og anaerob respiration.

I celler, der har ilt, og hvor aerob respiration kan fortsætte, nedbrydes et sukkermolekyle til to pyruvatmolekyler. I celler, der ikke har ilt, nedbrydes sukkermolekylet til andre former, f.eks. laktat.

Differencer

Efter glykolysen kan forskellige respirationskemier tage et par forskellige veje:

• Celler, der anvender aerob respiration, fortsætter deres elektronoverførselskæde i en meget effektiv proces, der ender med at give 38 molekyler ATP fra hvert sukkermolekyle.
• Celler, der er frataget ilt, men som normalt ikke anvender anaerob respiration, som vores egne muskelceller, kan lade glykolysens slutprodukter blive siddende og kun få to ATP pr. sukkermolekyle, de spalter. Dette er en ineffektiv metode til at opnå energi ved respiration.
• Celler, der er lavet til anaerob respiration, som f.eks. mange typer bakterier, kan fortsætte elektronoverførselskæden for at udvinde mere energi fra glykolysens slutprodukter.

Efter glykolyse kan celler, der ikke bruger ilt til respiration, men fortsætter til en elektrontransportkæde, bruge en anden elektronacceptor, såsom sulfat eller nitrat, til at drive deres reaktion fremad.

Disse processer repræsenterer en type anaerob respiration kaldet “fermentering”. Nogle typer af gæringsreaktioner producerer alkohol og kuldioxid. Det er sådan, man laver alkoholiske drikke og brød.

Aerob respiration sender derimod pyruvatresterne fra glykolysen ned ad en helt anden kemisk vej, hvis trin diskuteres i detaljer nedenfor.

Trin i aerob respiration

Gennemgående ligning

Ligningen for aerob respiration beskriver reaktanterne og produkterne i alle trinene, herunder glykolysen. Denne ligning er:

1 glukose + 6 O2 → 6 CO2+ 6 H2O + 38 ATP

Sammenfattende kan man sige, at 1 molekyle glukose med seks kulstofatomer og 6 molekyler ilt omdannes til 6 molekyler kuldioxid, 6 molekyler vand og 38 molekyler ATP. Reaktionerne i den aerobe respiration kan opdeles i fire trin, der er beskrevet nedenfor.

Glykolyse

Glykolyse er det første trin i den aerobe respiration og foregår i cellens cytoplasma. Det indebærer spaltning af 1 sukkermolekyle med seks kulstofatomer til 2 pyruvatmolekyler med tre kulstofatomer. Denne proces skaber to ATP-molekyler.

Den overordnede ligning er som følger:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD+ → 2 Pyruvat + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Denne proces reducerer co-faktoren NAD+ til NADH. Dette er vigtigt, da NADH senere i den cellulære respirationsproces vil drive dannelsen af meget mere ATP gennem mitokondriernes elektrontransportkæde.

I det næste trin behandles pyruvat for at omdanne det til brændstof til citronsyrecyklusen ved hjælp af processen oxidativ decarboxylering.

Oxidativ decarboxylering af pyruvat

2 (Pyruvat- + Coenzym A + NAD+ → Acetyl CoA + CO2 + NADH)

Oxidativ decarboxylering, der undertiden kaldes linkreaktionen eller overgangsreaktionen, er bindeleddet mellem glykolyse og citronsyrecyklusen. Pyruvat overføres til den mitokondrielle matrix via et protein, der er kendt som pyruvattranslocase. Her kombineres pyruvatet med coenzym A for at frigøre et kuldioxidmolekyle og danne acetyl-CoA.

Denne overgangsreaktion er vigtig, fordi acetyl-CoA er et ideelt brændstof til citronsyrecyklussen, som igen kan drive processen med oxidativ fosforylering i mitokondrierne, som producerer store mængder ATP.

Der dannes også mere NADH i denne reaktion. Det betyder mere brændstof til at skabe mere ATP senere i celleåndingsprocessen.

Citronsyrecyklus

Citronsyrecyklus, også kaldet tricarboxylsyrecyklus eller Krebs-cyklus, er en serie af redoxreaktioner, der begynder med Acetyl CoA. Disse reaktioner finder sted i matrixen i mitokondrierne i eukaryote celler. I prokaryote celler finder de sted i cytoplasmaet. Den overordnede reaktion er som følger:

2 (ACETYL COA + 3 NAD+ + FAD + ADP + PI → CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H+ + COENZYME A)

Reaktionen sker to gange for hvert glukosemolekyle, da der dannes to pyruvat- og dermed to molekyler Acetyl CoA til at indgå i citronsyrecyklusen.

Både NADH og FADH2 – en anden elektronbærer til elektrontransportkæden – dannes. Alle de NADH og FADH2, der er dannet i de foregående trin, kommer nu i spil i processen med oxidativ fosforylering.

Sammenfattende kan man sige, at der for hver omgang i cyklusen kommer to kulbrinter ind i reaktionen i form af Acetyl CoA. Disse producerer to molekyler kuldioxid. Reaktionerne genererer tre molekyler NADH og et molekyle FADH. Der produceres ét molekyle ATP.

Oxidativ fosforylering

Oxidativ fosforylering er det primære energiforsyningsstadium i den aerobe respiration. Den bruger de foldede membraner i cellens mitokondrier til at producere store mængder ATP.

34 (ADP + PI+ NADH + 1/2 O2 + 2H+ → ATP + NAD+ + 2 H2O)

I denne proces donerer NADH og FADH2 de elektroner, de har fået fra glukose i løbet af de foregående trin af celleatmningen, til elektrontransportkæden i mitokondriens membran.

Elektrontransportkæden består af en række proteinkomplekser, der er indlejret i mitokondriemembranen, herunder kompleks I, Q, kompleks III, cytochrom C og kompleks IV.

Alle disse tjener i sidste ende til at overføre elektroner fra højere til lavere energiniveauer og høste den energi, der frigives i processen. Denne energi bruges til at drive protonpumperne, som driver ATP-dannelsen.

Som natrium-kaliumpumpen i cellemembranen bruges protonpumperne i mitokondriemembranen til at generere en koncentrationsgradient, som kan bruges til at drive andre processer.

Protonerne, der transporteres over membranen ved hjælp af den energi, der høstes fra NADH og FADH2, “ønsker” at passere gennem kanalproteiner fra deres område med høj koncentration til deres område med lav koncentration.

Specifikt er kanalproteinerne ATP-synteser, som er enzymer, der laver ATP. Når protoner passerer gennem ATP-syntase, driver de dannelsen af ATP.

Denne proces er grunden til, at mitokondrier omtales som “cellens kraftværker”. Mitokondriernes elektrontransportkæde laver næsten 90 % af al den ATP, som cellen producerer ved at nedbryde maden.

Dette er også det trin, der kræver ilt. Uden iltmolekyler til at tage imod de udtømte elektroner i slutningen af elektrontransportkæden ville elektronerne gå tilbage, og processen med ATP-skabelse ville ikke kunne fortsætte.

Aerob respiration og vægttab

Aerob respiration er den proces, hvormed mange celler, herunder vores egen, producerer energi ved hjælp af mad og ilt. Den giver også anledning til kuldioxid, som vores kroppe derefter skal slippe af med.

Aerob respiration er grunden til, at vi har brug for både mad og ilt, da begge dele er nødvendige for at producere den ATP, der gør det muligt for vores celler at fungere. Vi indånder O2, og vi udånder det samme antal CO2-molekyler. Hvor kommer kulstofatomet fra? Det kommer fra den mad, f.eks. sukker og fedt, som du har spist.

Det er også derfor, at du trækker vejret hårdere og hurtigere, når du udfører kalorieforbrændende aktiviteter. Din krop bruger både ilt og sukker hurtigere end normalt og producerer mere ATP til at drive dine celler sammen med mere CO2-affaldsprodukt.

Selv om vores celler normalt bruger ilt til respiration, kan vores celler, når vi bruger ATP hurtigere, end vi får iltmolekyler til vores celler, udføre anaerob respiration for at dække deres behov i et par minutter.

Sjovt faktum: Opbygningen af laktat fra anaerob respiration er en af grundene til, at musklerne kan føles ømme efter intens træning!

Funktionen af aerob respiration

Aerob respiration leverer energi til at drive alle celleprocesser. Reaktionerne producerer ATP, som derefter bruges til at drive andre livsopretholdende funktioner, herunder vækst, reparation og vedligeholdelse. ATP driver f.eks. t virkningen af natrium-kalium-pumpen, som gør det muligt for os at bevæge os, tænke og opfatte verden omkring os. ATP driver mange enzymer og utallige andre proteiner, der opretholder livet!

Quiz

Bibliografi