Aerobinen hengitys

Määritelmä

Aerobinen hengitys on prosessi, jossa eliöt käyttävät happea muuttaakseen polttoaineen, kuten rasvat ja sokerit, kemialliseksi energiaksi. Sen sijaan anaerobisessa hengityksessä ei käytetä happea.

Hengitystä käyttävät kaikki solut muuttaakseen polttoaineen energiaksi, jota voidaan käyttää soluprosessien pyörittämiseen. Hengityksen tuote on molekyyli nimeltä adenosiinitrifosfaatti (ATP), joka käyttää fosfaattisidoksiinsa varastoitunutta energiaa kemiallisten reaktioiden voimanlähteenä. Sitä kutsutaan usein solun ”valuutaksi”.

Aerobinen hengitys on paljon tehokkaampaa ja tuottaa ATP:tä paljon nopeammin kuin anaerobinen hengitys. Tämä johtuu siitä, että happi on erinomainen elektroniakseptori ATP:n tuottamiseen liittyville kemiallisille reaktioille.

Aerobinen vs. anaerobinen

Yhtäläisyyksiä

Kummatkin, sekä aerobinen että anaerobinen hengitys, ovat menetelmiä, joiden avulla tuotetaan energiaa. Molemmat myös alkavat samalla tavalla, glykolyysiprosessilla. ”Glykolyysi” tarkoittaa kirjaimellisesti ”sokerin pilkkomista” ja tarkoittaa sokerimolekyylin pilkkomista kahdeksi pienemmäksi molekyyliksi.

Glykolyysiprosessissa kulutetaan kaksi ATP-molekyyliä ja tuotetaan neljä. Tämä johtaa siihen, että jokaista glykolyysin kautta hajotettua sokerimolekyyliä kohti tuotetaan nettomääräisesti kaksi ATP-molekyyliä. Tähän loppuvat aerobisen ja anaerobisen hengityksen yhtäläisyydet.

Soluissa, joissa on happea ja joissa aerobinen hengitys voi jatkua, sokerimolekyyli hajoaa kahdeksi pyruvaattimolekyyliksi. Soluissa, joissa ei ole happea, sokerimolekyyli hajoaa muuhun muotoon, kuten laktaatiksi.

Eroja

Glykolyysin jälkeen erilaiset hengityskemiat voivat kulkea muutamaa erilaista reittiä:

• Solut, jotka käyttävät aerobista hengitystä, jatkavat elektroninsiirtoketjua erittäin tehokkaassa prosessissa, joka päätyy tuottamaan jokaisesta sokerimolekyylistä 38 ATP-molekyyliä.
• Solut, jotka eivät saa happea, mutta jotka eivät normaalisti käytä anaerobista hengitystä, kuten omat lihassolumme, saattavat jättää glykolyysin lopputuotteet paikoilleen, jolloin ne saavat vain kaksi ATP:tä jokaista pilkkomaansa sokerimolekyyliä kohti. Tämä on tehoton tapa saada energiaa hengittämällä.
• Solut, jotka on tehty anaerobista hengitystä varten, kuten monet bakteerityypit, voivat jatkaa elektroninsiirtoketjua saadakseen lisää energiaa glykolyysin lopputuotteista.

Glykolyysin jälkeen solut, jotka eivät käytä happea hengitykseen, vaan jatkavat elektroninsiirtoketjua, voivat käyttää eri elektroniakseptoria, kuten sulfaattia tai nitraattia, ajamaan reaktiotaan eteenpäin.

Nämä prosessit edustavat anaerobisen hengityksen tyyppiä, jota kutsutaan nimellä ”käyminen”. Jotkin käymisreaktiotyypit tuottavat alkoholia ja hiilidioksidia. Näin valmistetaan alkoholijuomia ja leipää.

Aerobinen hengitys taas lähettää glykolyysistä jäljelle jääneen pyruvaatin hyvin erilaista kemiallista reittiä pitkin, jonka vaiheita käsitellään yksityiskohtaisesti jäljempänä.

Aerobisen hengityksen vaiheet

Yhtälön kokonaisyhtälö

Aerobisen hengityksen yhtälössä kuvataan sen kaikkien vaiheiden reaktantit ja tuotteet, myös glykolyysin. Tämä yhtälö on:

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

Yhteenvetona voidaan todeta, että 1 molekyyli kuusihiilistä glukoosia ja 6 molekyyliä happea muutetaan 6 molekyyliksi hiilidioksidia, 6 molekyyliksi vettä ja 38 molekyyliksi ATP:tä. Aerobisen hengityksen reaktiot voidaan jakaa neljään vaiheeseen, jotka on kuvattu alla.

Glykolyysi

Glykolyysi on aerobisen hengityksen ensimmäinen vaihe ja se tapahtuu solun sytoplasmassa. Siinä yksi kuuden hiilen sokerimolekyyli pilkkoutuu kahdeksi kolmen hiilen pyruvaattimolekyyliksi. Tässä prosessissa syntyy kaksi ATP-molekyyliä.

Kokonaisyhtälö on seuraava:

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

Tämä prosessi pelkistää kofaktorin NAD+ NADH:ksi. Tämä on tärkeää, sillä myöhemmin soluhengityksen prosessissa NADH:n voimalla muodostuu paljon enemmän ATP:tä mitokondrioiden elektroninkuljetusketjun kautta.

Seuraavassa vaiheessa pyruvaattia käsitellään oksidatiivisen dekarboksylaation prosessin avulla, jotta siitä saadaan polttoainetta sitruunahappokiertoa varten.

Pyruvaatin oksidatiivinen dekarboksylaatio

2 (Pyruvaatti- + Koentsyymi A + NAD+ → AsetyylikoA + CO2 + NADH)

Oksidatiivinen dekarboksylaatio, johon joskus viitataan linkkireaktiona tai siirtymäreaktiona, on linkki glykolyysin ja sitruunahappokierron välillä. Pyruviitti siirretään mitokondriomatriisiin pyruviittitranslokaasiksi kutsutun proteiinin välityksellä. Siellä pyruvaatti yhdistyy koentsyymi A:n kanssa vapauttaen hiilidioksidimolekyylin ja muodostaen asetyyli-CoA:ta.

Tämä siirtymäreaktio on tärkeä, koska asetyyli-CoA on ihanteellista polttoainetta sitruunahappokierrolle, joka puolestaan voi antaa virtaa mitokondrioissa tapahtuvalle oksidatiiviselle fosforylaatioprosessille, josta syntyy valtavia määriä ATP:tä.

Reaktiossa syntyy myös NADH:ta enemmän. Tämä tarkoittaa enemmän polttoainetta, jolla voidaan luoda enemmän ATP:tä myöhemmin soluhengitysprosessissa.

Sitruunahappokierto

Sitruunahappokierto, jota kutsutaan myös trikarboksyylihappokierroksi tai Krebsin kiertokuluksi, on redox-reaktioiden sarja, joka alkaa Asetyyli-CoA:lla. Nämä reaktiot tapahtuvat eukaryoottisolujen mitokondrioiden matriisissa. Prokaryoottisoluissa se tapahtuu sytoplasmassa. Kokonaisreaktio on seuraava:

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

Reaktio tapahtuu kahdesti jokaista glukoosimolekyyliä kohden, koska syntyy kaksi pyruraattia ja siten kaksi molekyyliä Acetyl CoA:ta sitruunahappokiertoon.

Tällöin syntyy sekä NADH että FADH2 – toinen elektronien kuljettaja elektroninkuljetusketjussa. Kaikki edellisissä vaiheissa syntyneet NADH ja FADH2 tulevat nyt mukaan hapettuvan fosforylaation prosessiin.

Yhteenvetona voidaan todeta, että syklin jokaisella kierroksella reaktioon tulee kaksi hiiltä asetyyli-CoA:n muodossa. Nämä tuottavat kaksi hiilidioksidimolekyyliä. Reaktiot tuottavat kolme molekyyliä NADH:ta ja yhden molekyylin FADH:ta. Syntyy yksi molekyyli ATP:tä.

Oksidatiivinen fosforylaatio

Oksidatiivinen fosforylaatio on aerobisen hengityksen ensisijainen energiaa tuottava vaihe. Se käyttää solun mitokondrioissa olevia taitettuja kalvoja tuottamaan valtavia määriä ATP:tä.

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

Tässä prosessissa NADH ja FADH2 luovuttavat glukoosista soluhengityksen aiemmissa vaiheissa saamiaan elektroneja mitokondrioiden kalvossa olevaan elektroninsiirtoketjuun.

Elektroninkuljetusketju koostuu useista mitokondrioiden kalvoon upotetuista proteiinikomplekseista, joita ovat muun muassa kompleksi I, Q, kompleksi III, sytokromi C ja kompleksi IV.

Kaikki nämä palvelevat viime kädessä siihen, että ne siirtävät elektroneja korkeammilta energiatasoilta matalammille energiatasoille keräämällä prosessissa vapautuvan energian. Tätä energiaa käytetään protonipumppujen voimanlähteenä, jotka toimivat ATP:n muodostuksen voimanlähteenä.

Aivan kuten solukalvon natrium-kaliumpumppua, myös mitokondriokalvon protonipumppuja käytetään luomaan konsentraatiogradientti, jota voidaan käyttää muiden prosessien voimanlähteenä.

Protonit, jotka kuljetetaan kalvon läpi NADH:sta ja FADH2:sta kerätyn energian avulla, ”haluavat” kulkea kanavaproteiinien läpi korkean konsentraation alueelta matalan konsentraation alueelle.

Konkreettisesti kanavaproteiinit ovat ATP-synteesejä eli ATP:tä valmistavia entsyymejä. Kun protonit kulkevat ATP-syntaasin läpi, ne ajavat ATP:n muodostumista.

Tämän prosessin vuoksi mitokondrioita kutsutaan ”solun voimalaitoksiksi”. Mitokondrioiden elektroninkuljetusketju tuottaa lähes 90 % kaikesta ATP:stä, jota solu tuottaa ruoan hajottamisesta.

Tämä on myös vaihe, joka vaatii happea. Ilman happimolekyylejä, jotka ottaisivat vastaan elektroninkuljetusketjun lopussa olevat tyhjentyneet elektronit, elektronit palautuisivat, eikä ATP:n luomisprosessi voisi jatkua.

Aerobinen hengitys ja painonpudotus

Aerobinen hengitys on prosessi, jonka avulla useat solut, mukaan lukien meidän solujemme omat solut, tuottavat energiaa ruoan ja hapen avulla. Siinä syntyy myös hiilidioksidia, josta elimistömme on sitten päästävä eroon.

Aerobisen hengityksen vuoksi tarvitsemme sekä ruokaa että happea, sillä molempia tarvitaan ATP:n tuottamiseen, jonka avulla solumme voivat toimia. Hengitämme sisään O2:ta ja hengitämme ulos saman määrän CO2-molekyylejä. Mistä hiiliatomi on peräisin? Se on peräisin syömästäsi ravinnosta, kuten sokerista ja rasvasta.

Tämän vuoksi hengität myös voimakkaammin ja nopeammin suorittaessasi kaloreita polttavaa toimintaa. Kehosi käyttää sekä happea että sokeria normaalia nopeammin ja tuottaa enemmän ATP:tä solujesi voimanlähteeksi sekä enemmän hiilidioksidijätettä.

Vaikka solumme käyttävät normaalisti happea hengitykseen, kun käytämme ATP:tä nopeammin kuin saamme hapen molekyylejä soluihimme, solumme voivat suorittaa anaerobista hengitystä tyydyttääkseen tarpeensa muutamaksi minuutiksi.

Hauska fakta: Anaerobisesta hengityksestä johtuva laktaatin kertyminen on yksi syy siihen, miksi lihakset voivat tuntua kipeiltä voimakkaan liikunnan jälkeen!

Aerobisen hengityksen tehtävä

Aerobinen hengitys tuottaa energiaa, joka käyttää polttoaineenaan kaikkia solujen prosesseja. Reaktiot tuottavat ATP:tä, jota käytetään muihin elämää ylläpitäviin toimintoihin, kuten kasvuun, korjaukseen ja ylläpitoon. ATP esimerkiksi antaa virtaa natrium-kaliumpumpulle, jonka avulla voimme liikkua, ajatella ja hahmottaa ympäröivää maailmaa. ATP pyörittää monien entsyymien toimintaa ja lukemattomien muiden elämää ylläpitävien proteiinien toimintaa!

Visailu

Bibliografia

.