Aerob andning

Definition

Aerob andning är den process genom vilken organismer använder syre för att omvandla bränsle, såsom fett och socker, till kemisk energi. Vid anaerob respiration används däremot inte syre.

Respiration används av alla celler för att omvandla bränsle till energi som kan användas för att driva cellprocesser. Andningsprodukten är en molekyl som kallas adenosintrifosfat (ATP), som använder den energi som finns lagrad i dess fosfatbindningar för att driva kemiska reaktioner. Det kallas ofta för cellens ”valuta”.

Aerob respiration är mycket effektivare och producerar ATP mycket snabbare än anaerob respiration. Detta beror på att syre är en utmärkt elektronacceptor för de kemiska reaktioner som ingår i genereringen av ATP.

Aerob vs. anaerob

Likheter

Både den aeroba och anaeroba respirationen är metoder för att generera energi. De börjar också båda på samma sätt, med processen glykolys. ”Glykolys” betyder bokstavligen ”sockerspaltning” och innebär att en sockermolekyl bryts ner i två mindre molekyler.

I glykolysen förbrukas två ATP-molekyler och fyra produceras. Detta resulterar i en nettovinst på två producerade ATP-molekyler för varje sockermolekyl som bryts ner genom glykolysen. Här slutar likheterna mellan aerob och anaerob respiration.

I celler som har syre och där aerob respiration kan fortsätta bryts en sockermolekyl ner till två molekyler pyruvat. I celler som inte har syre bryts sockermolekylen ner till andra former, till exempel laktat.

Skillnader

Efter glykolysen kan olika respirationskemier ta några olika vägar:

• Celler som använder aerob respiration fortsätter sin elektronöverföringskedja i en mycket effektiv process som slutar med att ge 38 ATP-molekyler från varje sockermolekyl.
• Celler som berövas syre men som normalt inte använder sig av anaerob andning, som våra egna muskelceller, kan låta slutprodukterna från glykolysen sitta kvar och få endast två ATP per sockermolekyl som de delar. Detta är en ineffektiv metod för att få energi genom andning.
• Celler som är gjorda för anaerob andning, till exempel många typer av bakterier, kan fortsätta elektronöverföringskedjan för att få ut mer energi från glykolysens slutprodukter.

Efter glykolysen kan celler som inte använder syre för andning, utan går vidare till en elektrontransportkedja, använda en annan elektronacceptor, t.ex. sulfat eller nitrat, för att driva sin reaktion framåt.

Dessa processer representerar en typ av anaerob andning som kallas ”fermentering”. Vissa typer av jäsningsreaktioner producerar alkohol och koldioxid. Detta är hur alkoholhaltiga drycker och bröd tillverkas.

Aerob respiration skickar å andra sidan pyruvatet som blir över från glykolysen vidare längs en helt annan kemisk väg, vars steg diskuteras i detalj nedan.

Steg för aerob respiration

Övergripande ekvation

Ekvationen för aerob respiration beskriver reaktanterna och produkterna för alla dess steg, inklusive glykolysen. Den ekvationen är:

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

Sammanfattningsvis omvandlas 1 molekyl glukos med sex koldioxider och 6 molekyler syre till 6 molekyler koldioxid, 6 molekyler vatten och 38 molekyler ATP. Reaktionerna vid aerob respiration kan delas in i fyra steg som beskrivs nedan.

Glykolys

Glykolysen är det första steget i aerob respiration och sker i cellens cytoplasma. Det innebär att 1 sockermolekyl med sex koldioxider delas upp i 2 pyruvatmolekyler med tre koldioxider. Denna process skapar två ATP-molekyler.

Den övergripande ekvationen ser ut på följande sätt:

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

Denna process reducerar co-faktorn NAD+ till NADH. Detta är viktigt eftersom NADH senare i cellandningsprocessen kommer att driva bildandet av mycket mer ATP genom mitokondriernas elektrontransportkedja.

I nästa steg bearbetas pyruvat för att förvandlas till bränsle för citronsyracykeln, med hjälp av processen oxidativ dekarboxylering.

Oxidativ dekarboxylering av pyruvat

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

Oxidativ dekarboxylering, ibland kallad länkreaktion eller övergångsreaktion, är länken mellan glykolysen och citronsyracykeln. Pyruvat överförs till den mitokondriella matrisen via ett protein som kallas pyruvattranslokas. Här kombineras pyruvat med koenzym A för att frigöra en koldioxidmolekyl och bilda acetyl-CoA.

Denna övergångsreaktion är viktig eftersom acetyl-CoA är ett idealiskt bränsle för citronsyracykeln, som i sin tur kan driva processen för oxidativ fosforylering i mitokondrierna, som producerar enorma mängder ATP.

Mer NADH skapas också i denna reaktion. Detta innebär mer bränsle för att skapa mer ATP senare i cellandningsprocessen.

Citronsyracykeln

Citronsyracykeln, även kallad tricarboxylsyracykeln eller Krebscykeln, är en serie redoxreaktioner som inleds med Acetyl CoA. Dessa reaktioner äger rum i matrisen i mitokondrierna i eukaryota celler. I prokaryota celler sker de i cytoplasman. Den övergripande reaktionen är följande:

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

Reaktionen inträffar två gånger för varje glukosmolekyl, eftersom det genereras två pyruvatmolekyler och därmed två molekyler Acetyl CoA som går in i citronsyracykeln.

Både NADH och FADH2 – en annan bärare av elektroner för elektrontransportkedjan – skapas. Alla NADH och FADH2 som skapats i de föregående stegen kommer nu in i processen för oxidativ fosforylering.

Sammanfattningsvis, för varje omgång i cykeln, kommer två kolväten in i reaktionen i form av Acetyl CoA. Dessa producerar två molekyler koldioxid. Reaktionerna genererar tre molekyler NADH och en molekyl FADH. En molekyl ATP produceras.

Oxidativ fosforylering

Oxidativ fosforylering är det primära energitillhandahållande steget i aerob andning. Den använder de veckade membranen i cellens mitokondrier för att producera stora mängder ATP.

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

I denna process donerar NADH och FADH2 de elektroner som de fått från glukos under de tidigare stegen i den cellulära respirationen till elektrontransportkedjan i mitokondriernas membran.

Elektrontransportkedjan består av ett antal proteinkomplex som är inbäddade i mitokondriernas membran, bland annat komplex I, Q, komplex III, cytokrom C och komplex IV.

Alla dessa tjänar i slutändan till att överföra elektroner från högre till lägre energinivåer, och skördar den energi som frigörs i processen. Denna energi används för att driva protonpumparna, som driver ATP-bildningen.

Som cellmembranets natrium-kalium-pump används mitokondriernas protonpumpar för att generera en koncentrationsgradient som kan användas för att driva andra processer.

Protonerna som transporteras över membranet med hjälp av den energi som hämtas från NADH och FADH2 ”vill” passera genom kanalproteiner från sitt område med hög koncentration till sitt område med låg koncentration.

Specifikt är kanalproteinerna ATP-synteser, som är enzymer som tillverkar ATP. När protoner passerar genom ATP-syntas driver de bildandet av ATP.

Denna process är anledningen till att mitokondrier kallas ”cellens kraftverk”. Mitokondriernas elektrontransportkedja gör nästan 90 % av all ATP som cellen producerar genom att bryta ner maten.

Detta är också det steg som kräver syre. Utan syremolekyler som kan ta emot de uttömda elektronerna i slutet av elektrontransportkedjan skulle elektronerna återvända och processen för ATP-bildning skulle inte kunna fortsätta.

Aerob andning och viktnedgång

Aerob andning är den process genom vilken många celler, inklusive vår egen, producerar energi med hjälp av mat och syre. Den ger också upphov till koldioxid, som våra kroppar sedan måste göra sig av med.

Aerob andning är anledningen till att vi behöver både mat och syre, eftersom båda behövs för att producera ATP som gör att våra celler kan fungera. Vi andas in O2 och vi andas ut lika många koldioxidmolekyler. Varifrån kommer kolatomen? Den kommer från maten, till exempel socker och fett, som du har ätit.

Det är också därför du andas hårdare och snabbare när du utför kaloriförbrännande aktiviteter. Din kropp använder både syre och socker snabbare än normalt och producerar mer ATP för att driva dina celler, tillsammans med mer CO2-avfallsprodukt.

Och även om våra celler normalt använder syre för andning, när vi använder ATP snabbare än vi får syremolekyler till våra celler, kan våra celler utföra anaerob andning för att tillgodose sina behov i några minuter.

Skojfråga: Uppbyggnaden av laktat från anaerob andning är en av anledningarna till att musklerna kan kännas ömma efter intensiv träning!

Funktionen hos aerob andning

Aerob andning tillhandahåller energi för att ge bränsle till alla cellära processer. Reaktionerna producerar ATP, som sedan används för att driva andra livsuppehållande funktioner, inklusive tillväxt, reparation och underhåll. ATP driver t.ex. natrium-kalium-pumpen, som gör att vi kan röra oss, tänka och uppfatta vår omvärld. ATP driver många enzymer och otaliga andra proteiner som upprätthåller livet!

Quiz

Bibliografi

.