Aerob légzés

Meghatározás

Aerob légzés az a folyamat, amelynek során az organizmusok oxigénnel kémiai energiává alakítják az üzemanyagot, például zsírokat és cukrokat. Ezzel szemben az anaerob légzés nem használ oxigént.

A légzést minden sejt arra használja, hogy az üzemanyagot energiává alakítsa, amely a sejtfolyamatok működtetésére használható. A légzés terméke az adenozin-trifoszfát (ATP) nevű molekula, amely a foszfátkötésekben tárolt energiát használja fel kémiai reakciók működtetésére. Gyakran nevezik a sejt “valutájának”.

Az aerob légzés sokkal hatékonyabb, és sokkal gyorsabban termel ATP-t, mint az anaerob légzés. Ennek oka, hogy az oxigén kiváló elektronakceptor az ATP előállításában részt vevő kémiai reakciókhoz.

Aerob vs. anaerob

Hasonlóságok

Az aerob és az anaerob légzés egyaránt az energiatermelés módszere. Mindkettő ugyanúgy kezdődik, a glikolízis folyamatával. A “glikolízis” szó szerint “cukorhasítást” jelent, és egy cukormolekula két kisebb molekulára való lebontását jelenti.

A glikolízis során két ATP-molekula fogy el, és négy keletkezik. Ez azt eredményezi, hogy a glikolízis során lebontott minden egyes cukormolekulára nettó két ATP-molekula keletkezik. Itt ér véget az aerob és az anaerob légzés közötti hasonlóság.

Azokban a sejtekben, amelyekben van oxigén és az aerob légzés folytatódhat, egy cukormolekula két piruvátmolekulára bomlik le. Azokban a sejtekben, amelyekben nincs oxigén, a cukormolekula más formákra, például laktátra bomlik le.

Különbségek

A glikolízis után a különböző légzéskémiai folyamatok néhány különböző utat járhatnak be:

• Az aerob légzést használó sejtek folytatják az elektronátviteli láncot egy rendkívül hatékony folyamatban, amelynek végén minden cukormolekulából 38 molekula ATP-t nyerünk.
• Az oxigénhiányos, de általában nem anaerob légzést alkalmazó sejtek, mint például a saját izomsejtjeink, a glikolízis végtermékeit otthagyhatják, és minden egyes felhasított cukormolekulából csak két ATP-t nyernek. Ez a légzéssel történő energia kinyerésének nem hatékony módszere.
• Az anaerob légzésre kialakított sejtek, mint például számos baktériumtípus, folytathatják az elektronátviteli láncot, hogy több energiát nyerjenek ki a glikolízis végtermékeiből.

A glikolízis után azok a sejtek, amelyek nem használnak oxigént a légzéshez, hanem folytatják az elektrontranszportláncot, más elektronakceptort, például szulfátot vagy nitrátot használhatnak a reakció továbbviteléhez.

Ezek a folyamatok az anaerob légzés egy típusát képviselik, amelyet “fermentációnak” neveznek. Az erjedési reakciók egyes típusai alkoholt és szén-dioxidot termelnek. Így készülnek az alkoholos italok és a kenyér.

Az aerob légzés ezzel szemben a glikolízisből visszamaradt piruvátot egy egészen más kémiai úton küldi tovább, amelynek lépéseit az alábbiakban részletesen tárgyaljuk.

Az aerob légzés lépései

A teljes egyenlet

Az aerob légzés egyenlete leírja az összes lépésének reaktánsait és termékeit, beleértve a glikolízist is. Ez az egyenlet:

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

Összefoglalva, 1 molekula hat szénatomos glükóz és 6 molekula oxigén átalakul 6 molekula szén-dioxiddá, 6 molekula vízzé és 38 molekula ATP-vé. Az aerob légzés reakciói négy szakaszra bonthatók, amelyeket az alábbiakban ismertetünk.

Glikolízis

A glikolízis az aerob légzés első szakasza, és a sejt citoplazmájában zajlik. Ennek során 1 hat szénatomos cukormolekula 2 három szénatomos piruvátmolekulává hasad. Ez a folyamat két ATP-molekulát hoz létre.

A teljes egyenlet a következő:

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

Ez a folyamat a kofaktor NAD+-t NADH-ra redukálja. Ez azért fontos, mert a sejtlégzés későbbi folyamatában a NADH sokkal több ATP képződését fogja táplálni a mitokondrium elektronszállító láncán keresztül.

A következő lépésben a piruvátot feldolgozzák, hogy a citromsavciklus üzemanyagává váljon, az oxidatív dekarboxiláció folyamatával.

Piruvát oxidatív dekarboxilációja

2 (Piruvát- + koenzim A + NAD+ → Acetil-CoA + CO2 + NADH)

A glikolízis és a citromsavciklus között az oxidatív dekarboxiláció, amelyet néha linkreakciónak vagy átmeneti reakciónak is neveznek. A piruvát a piruvát-transzlokáz nevű fehérjén keresztül kerül a mitokondriális mátrixba. Itt a piruvát egyesül a koenzim A-val, hogy felszabaduljon egy szén-dioxid-molekula, és acetil-CoA keletkezzen.

Ez az átmeneti reakció azért fontos, mert az acetil-CoA ideális üzemanyag a citromsavciklus számára, amely viszont a mitokondriumokban az oxidatív foszforiláció folyamatát tudja működtetni, amely hatalmas mennyiségű ATP-t termel.

Ebben a reakcióban több NADH is keletkezik. Ez több üzemanyagot jelent, hogy a sejtlégzés későbbi folyamatában több ATP-t lehessen létrehozni.

Citromsavciklus

A citromsavciklus, más néven trikarbonsavciklus vagy Krebs-ciklus, redoxireakciók sorozata, amely Acetil-CoA-val kezdődik. Ezek a reakciók az eukarióta sejtek mitokondriumainak mátrixában zajlanak. A prokarióta sejtekben a citoplazmában zajlik. A teljes reakció a következő:

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

A reakció minden glükózmolekulára kétszer történik, mivel két piruvát és így két Acetil-CoA molekula keletkezik, amelyek belépnek a citromsavciklusba.

Mind a NADH, mind a FADH2 – az elektrontranszportlánc másik elektronhordozója – létrejön. Az előző lépésekben létrehozott összes NADH és FADH2 most az oxidatív foszforiláció folyamatába kerül.

Összefoglalva, a ciklus minden egyes fordulójában két szénatom lép be a reakcióba Acetil-CoA formájában. Ezekből két molekula szén-dioxid keletkezik. A reakciók során három molekula NADH és egy molekula FADH keletkezik. Egy molekula ATP keletkezik.

Oxidatív foszforiláció

Az oxidatív foszforiláció az aerob légzés elsődleges energiát szolgáltató szakasza. A sejt mitokondriumaiban lévő összehajtott membránok segítségével hatalmas mennyiségű ATP-t állít elő.

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

A folyamat során a NADH és a FADH2 a sejtlégzés előző lépései során a glükózból nyert elektronokat a mitokondrium membránjában lévő elektronszállító láncnak adja át.

Az elektrontranszportlánc számos, a mitokondrium membránjába ágyazott fehérjekomplexből áll, köztük az I. komplex, a Q, a III. komplex, a citokróm C és a IV. komplex.

Ezek mindegyike végül arra szolgál, hogy az elektronokat a magasabb energiaszintről az alacsonyabb energiaszintre juttassa, a folyamat során felszabaduló energiát learassa. Ezt az energiát a protonpumpák működtetésére használják, amelyek az ATP-képzést működtetik.

A sejtmembrán nátrium-kálium-pumpájához hasonlóan a mitokondriális membrán protonpumpái is arra szolgálnak, hogy koncentrációgradienst hozzanak létre, amelyet más folyamatok működtetésére lehet felhasználni.

A NADH-ból és FADH2-ból nyert energia felhasználásával a membránon keresztül szállított protonok a magas koncentrációjú területükről az alacsony koncentrációjú területükre “akarnak” átjutni a csatornafehérjéken keresztül.

A csatornafehérjék konkrétan ATP-szintézisek, azaz ATP-t előállító enzimek. Amikor a protonok áthaladnak az ATP-szintázon, az ATP képződését mozgatják.

Ez a folyamat az oka annak, hogy a mitokondriumokat “a sejt erőműveiként” emlegetik. A mitokondrium elektrontranszportlánca a sejt által a táplálék lebontásából előállított ATP közel 90%-át állítja elő.

Ez az a lépés is, amelyhez oxigénre van szükség. Oxigénmolekulák nélkül, amelyek az elektrontranszportlánc végén lévő kimerült elektronokat átvennék, az elektronok visszaszorulnának, és az ATP létrehozásának folyamata nem tudna folytatódni.

Aerob légzés és a fogyás

Aerob légzés az a folyamat, amelynek során számos sejt, köztük a miénk is, energiát állít elő a táplálék és az oxigén felhasználásával. Ennek során szén-dioxid is keletkezik, amitől a szervezetünknek meg kell szabadulnia.

Aerob légzés miatt van szükségünk táplálékra és oxigénre is, mivel mindkettőre szükség van a sejtek működését lehetővé tevő ATP előállításához. O2-t lélegzünk be, és ugyanannyi CO2-molekulát lélegzünk ki. Honnan származik a szénatom? Az elfogyasztott táplálékból, például cukorból és zsírból.

Ez az oka annak is, hogy kalóriaégető tevékenységek végzése közben nehezebben és gyorsabban lélegzünk. A szervezeted a normálisnál gyorsabb ütemben használja az oxigént és a cukrot is, és több ATP-t termel a sejtek energiaellátásához, valamint több CO2 hulladékterméket.

Noha sejtjeink általában oxigént használnak a légzéshez, amikor gyorsabban használjuk az ATP-t, mint ahogyan oxigénmolekulákat juttatunk a sejtjeinkhez, sejtjeink néhány percig anaerob légzést végezhetnek a szükségleteik kielégítésére.

Fun fact: Az anaerob légzésből származó laktát felhalmozódása az egyik oka annak, hogy az izmok intenzív edzés után fájdalmat érezhetnek!

Aerob légzés funkciója

Aerob légzés energiát biztosít minden sejtfolyamathoz. A reakciók során ATP keletkezik, amelyet aztán más életfenntartó funkciók működtetésére használunk, beleértve a növekedést, a javítást és a karbantartást. Például az ATP hajtja a nátrium-kálium-pumpát, amely lehetővé teszi számunkra a mozgást, a gondolkodást és a körülöttünk lévő világ érzékelését. Az ATP hajtja számos enzim és számtalan más, az életet fenntartó fehérje működését!

Kvíz

Bibliográfia