Aerobinen hengitys

Aerobinen hengitys on polttoainemolekyylien hapesta riippuvaista hapetusta hiilidioksidiksi ja vedeksi vapaan energian vapautuessa siten, että se varastoituu ATP:nä. Se integroi glykolyysin, pyruvaatin hapetuksen, sitraattikierron ja elektroninsiirtoketjun, ja se on hallitseva reitti, jolla useimmat ihmisen solut kattavat energiantarpeensa.

Definition

Aerobinen hengitys on orgaanisten polttoaineiden täydellinen, happea vaativa hapetus, jossa hiili vapautuu CO2:na ja elektronit siirretään lopulta molekulaariselle hapelle; vapautuva vapaa energia säilytetään pääasiassa ATP:nä oksidatiivisen fosforylaation kautta.

Scope

Tässä artikkelissa aerobista hengitystä käsitellään integroituna katabolisena prosessina, joka vaatii molekulaarista happea terminaalisena elektronin hyväksyjänä, erottaen sen anaerobisista ja fermentatiivisista reiteistä. Siinä sijoitetaan osallistuvat reitit suhteessa toisiinsa ja selitetään, miksi hapesta riippuvainen hapetus tuottaa niin paljon enemmän käyttökelpoista energiaa kuin hapesta riippumaton katabolismi. Sisältö on viitetietoa ja opetuksellinen kehys eikä kliininen ohje.

Core questions

• Miksi glukoosin täydellinen hapetus vaatii happea?
• Miten glykolyysi, sitraattikierto ja elektroninsiirtoketju integroituvat yhdeksi prosessiksi?
• Miksi aerobinen hengitys tuottaa paljon enemmän ATP:tä kuin fermentaatio tai anaerobinen glykolyysi?
• Mikä on hapen rooli terminaalisena elektronin hyväksyjänä?

Key concepts

• Molekulaarinen happi terminaalisena elektronin hyväksyjänä
• Glykolyysin, sitraattikierron ja elektroninsiirron integraatio
• Pyruvaatin hapetus asetyyliCoA:ksi
• Pelkistyneet koentsyymit NADH ja FADH2 elektronin kantajina
• Hiilidioksidi hapettuneena hiilituotteena
• Hengityksen ATP-saanto verrattuna fermentaatioon

Key theories

Kemiosmoottinen kytkentä hengityksessä

Elektronivirran vapautuessa pelkistyneistä koentsyymeistä happeen siirtyessä vapautuva energia ei säily suoraan kemiallisina sidoksina vaan kalvon yli muodostuvana protonigradienttina, jota ATP-syntaasi käyttää sitten ATP:n tuottamiseen; tämä kytkee hengityksen happikulutuspään solun suurimpaan ATP-tuotantoon.

Mechanisms

Aerobisessa hengityksessä glukoosi pilkotaan ensin glykolyysillä pyruvaatiksi; aerobisissa olosuhteissa pyruvaatti hapetetaan dekarboksyloimalla asetyylikoentsyymi A:ksi (asetyyliCoA), joka syöttää sitraattikiertoa. Sekä glykolyysi että sitraattikierto pelkistävät koentsyymejä NAD+ ja FAD, ja nämä kantajat toimittavat elektronit mitokondriaaliseen elektroninsiirtoketjuun. Elektronien edetessä kohti happea — terminaalista hyväksyjää, joka pelkistyy vedeksi — ketju pumppaa protoneja sisäkalvon yli; syntyvä protonien ajava voima (proton-motive force) käyttää ATP-syntaasia. Koska happi voi vastaanottaa elektronit ketjun lopussa, polttoaine voidaan hapettaa täydellisesti, säilyttäen huomattavasti enemmän energiaa kuin anaerobisten reittien osittaisessa hapetuksessa.

Clinical relevance

Suurienergisiä vaatimuksia sisältävät kudokset ovat kriittisesti riippuvaisia aerobisesta hengityksestä, ja sen keskeytyminen — esimerkiksi happitoimituksen epäonnistuessa iskeemiassa — johtaa nopeasti energiavajeeseen ja soluvaurioon. Polttoaineen käytön uudelleen ohjelmointi pois täydellisestä aerobisesta hapetuksesta on myös tunnistettu monien kasvainten piirteeksi. Tässä artikkelissa selitetään biokemiaa eikä se muodosta perustaa yksilölliselle diagnoosille tai hoidolle.

History

Käsitys hengityksestä polttoaineen kontrolloituna hapetuksena hapen avulla muodostui 1800- ja 1900-luvuilla, ja Otto Warburgin työ hengitysentsyymistä ja solun hapenkulutuksesta kuuluu perustavan tärkeisiin panoksiin. Solunsisäiset reitit selvitettiin sitten glykolyysin ja sitraattikierron elucidaation kautta, ja Mitchellin kemiosmoottinen hypoteesi selitti, miten happikytkentäinen elektronivirta muunnetaan ATP:ksi.

Key figures

• Otto Warburg
• Hans Krebs
• Peter Mitchell
• Albert Lehninger

Seminal works

• warburg-1956
• mitchell-1961
• saraste-1999

Frequently asked questions

Mitä eroa on aerobisella hengityksellä ja fermentaatiolla?

Aerobinen hengitys käyttää happea lopullisena elektronin hyväksyjänä ja hapettaa polttoaineen täydellisesti CO2:ksi ja vedeksi säilyttäen suuren määrän energiaa; fermentaatio regeneroi NAD+:aa ilman happea ja hapettaa polttoaineen vain osittain tuottaen huomattavasti vähemmän ATP:tä.

Miksi solut tarvitsevat happea tuottaakseen suurimman osan ATP:stään?

Happi vastaanottaa elektronit elektroninsiirtoketjun lopussa mahdollistaen elektronivirtauksen ja protoninpumppauksen jatkumisen; ilman happea ketju pysähtyy eikä oksidatiivinen fosforylaatio — suurimman osan ATP:stä lähde — pysty toimimaan.