Nedbrydning af kulhydrat
Respiration
C6H12O6 + 6 O2 + 30 ADP + 30P —> 6 CO2 + 6 H2O + 30 ATP
ligningen for aerob respiration er velkendt, men nu dykker vi ind i cellen og undersøger hvordan glukose omdannes til ATP.
Nedbrydning af glukose er en proces som er opdelt i mange små trin – vi skal følge molekyler og energien fra glukose til CO2 og H2O og ATP.
Oversigt over nedbrydning af glukose. Den blå proces sker anaerobt, mens de røde behøver oxygen.
I figuren viser hovedelementerne i nedbrydningen af kulhydrat. Der optages glukose og oxygen og afgives vand og CO2 . Der er 3 processer i spil.
Vi deler processen op i tre dele:
- Glykolysen Anaerob proces, hvor der dannes 2 ATP. Er der ikke ilt i første trin, dannes der laktat.
- Citronsyrecyklus her dannes energirige molekyler som NADPH og FADH, som til sidst veksles til det brugbare ATP i elektrontransportkæden.
- Elektrontransportkæden Ved at pumpe H+ ioner over membranen i mitokondries skabes en strøm af H+ som omdannes til ATP. Først her bruges oxygen.
Er du til en mere munter gennemgang, så slår intet de awsome Amoeba sisters.
Avanceret animation på dansk af hele processen fra Biokemibogen.
Første trin GLYKOLYSEN
Den korte version:
I glykolysen tilføres et molekyle glukose, 2 ADP og to uorganiske fosfat Pi .
Resultatet er en produktion af 2 ATP samt to pyruvat.
Pyrovat går videre til det næste led – hvilken vej afhænger af om der er ilt tilstede. Næste figur er mere kompliceret – hold øje med hvilke stoffer der går ind og ud af glykolysen, for så er det lettere at bevare overblikket.
Enzym: hexokinase Mn2+ er CO-faktor. Der investeres energi i form af ATP
Enzym: phospho-glucose-isomerase. Omlejring af molekylet til anden isomer form.
Enzym: Phospho-fructo-kinase. Endnu en phosphatgruppe overføres.
Enzym: Aldolase.
C6-molekylet splittes i to (isomere) C3 molekyler
Enzym: Triosephosphat-isomerase
Der dannes ny isomer molekyle
Enzym: Glyceraldehyd-3-phosphat-dehydrogenase
En phosphat optages og H+ afgives til NAD+ som danner NADH. Det sker for begge C3 molekyler.
Enzym: phosphoglycerat-kinase
Hvert molekyle danner et ATP.
Det er det første ATP der dannes.
Enzym: phospho-enol-glycerat-mutase
Ombygning af molekylet hvor P flyttes.
Vand fraspaltes
P afgives til ADP, og det sidste ATP dannes. Pyruvat kaldes også pyrodruesyre.
Pyruvat har to mulige skæbner
Hvis der er ilt tilstede (aerobt)
Decarboxylering (fraspaltning af CO2)
Pyruvaten gennemgår andet trin. Det omdannes til acetyl-CoenzymA inden det kan gå videre til tredje trin – citronsyrecyklus. Pyruvat går i forbindelse med H-S-CoA og NAD+ og danner molekylet acetyl-CoenzymA der går videre i næste led i citronsyrecyklus. Der dannes også CO2 og NADH. CO2 er et affaldsprodukt der udskilles af cellen, mens NADH er et energirigt molekyle, som veksles til ATP i elektrontransportkæden (fjerde led).
Hvis der ikke er ilt tilstede (anaerobt)
Er der ikke ilt tilstede, dannes der laktat (mælkesyre). Det sker ved at pyrovaten reagerer med den NADH + H+, som blev dannet i glykolysen. Så bliver NAD+ igen ledig, så den kan gå ned og opsamle nye H+, så glykolysen kan fortsætte.
Processen kan ikke blive ved, fordi laktat ophobes, og kan der ikke fjernes flere H+, bremses glykolysen.
Grunden til at man kort efter man begynder en aktivitet trækker vejret hurtigere og dybere og øver pulsen, er for at øge tilførslen af ilt til kroppens celler. Laktat kan kun ophobes i kort tid (det er derfor vi ikke kan klare os uden ilt!).
Citronsyrecyklus
Og den detaljerede version…
Citronsyrecyklus trin for trin
Denne proces foregår inde i mitokondriet. Det er en række af reaktioner som går i en cyklus. Der tilføjes acetyl-CoenzymA til cyklen i hver runde.
Kort fortalt er formålet med citronsyrecyklus af lave nogle energirige forbindelse, som senere kan laves om til ATP i elektrontransportkæden. Det er lettest at få overblik ved at følge antal carbonforbindelser i hvert trin.
1. Hvis vi begynder med acetyl-CoenzymA indeholder det to carbonatomer – C2 . Det tilsættes kredsløbet et sted, hvor der allerede findes et C4 så de smelter sammen og danner en C6 . CoenzymA fraspaltes inden og genbruges, mens kun acetyl (C2) går videre.
2. Nu fraspaltes det energirige NADH + H+ samt CO2 . Med et CO2 fraspaltet er det en C5 der fortsætter i cyklussen.
3. NADH + H+ samt CO2 spaltes fra, og vi er nede på C4.
4. FADH2 og GTP fraspaltes. Den første veksles til ATP i næste trin, mens GTP i energi svarer til energien i ATP (og kan i øvrigt også indgå i opbygningen af RNA).
1. vi er tilbage til start hvor et C4 mødes med et C2. og danner et nyt C6 og cyklussen fortsætter…
Elektrontransportkæden - fjerde og sidste led
Formålet med elektrontransportkæden er at oversætte de dannede NADH + H+ og FADH2 til ATP. Det sker hen over membranen i mitokondriet.
Mitokondriet består af en dobbelt membran, som er foldet. Det skaber et hulrum kaldet det ydre rum (blågrøn), som adskilles fra det indre rum (rødt).
Princippet for dannelse af ATP er, at bruge de energirige molekyler til at pumpe så mange H+ ud i det ydre rum som muligt. Den store forskel i koncentrationen gør at H+ forsøger at udligne og trænge tilbage igennem membranen. Det kan den kun gøre igennem bestemte proteiner i membranen – kaldet ATPase. Når en H+ passerer, så opsamler den energien og omdanner den til ATP.
ved det første kanalprotein ek1 afleverer NADH + H+ to elektroner som strømmer igennem proteinet, og den strøm pumper H+ ind i det ydre rum, så koncentrationsforskellen øges.
De to elektroner vandrer til næste kanalprotein c-red. Her får de et spark videre af FADH2 imens der igen pumpes H+ ioner ind.
Elektronerne ender nu i det sidste kanalprotein, hvor de optages af O2 + 4 H+ og danner 2 H2O. Det er nødvendigt at have et sted at aflevere elektronerne, for at processen kan finde sted. Hos mennesket er oxidationsmidlet oxygen, men andre organismer kan bruge stoffer som fx. nitrat (denitrifikation).
De tre pumper har øget koncentrationsgradienten og dannelsen af vand har øget den yderligere ved at fjerne to H+ ioner.
Det sidste protein er ATP-syntase. Den fungerer som en vandmølle og H+ ionerne er vandet. De strømmer igennem ATP-syntasen, som drejer rundt og energien oplader ADP til ATP.
Det samlede ATP-regnskab
Til venstre ses det samlede regnskab.
Grunden til at NADH + H+ giver mindre ATP i glykolysen, er fordi det sker i cytoplasma. Det koster energi til aktiv transport at transportere det ind i mitokondriet. I hjerte og lever sker glykolysen i mitokondriet, så derfor er udbyttet 2 ATP højere dvs. ialt 32 ATP.
FADH2 genererer heller ikke så meget energi som NADH + H+, fordi det er mindre energirigt. I elektrontransportkæden har det kun energi til at skubbe de to elektroner én plads frem, mens NADH + H+ N skubber det helt fra ek1 til c-ox.
Eksempler på nedbrydning uden oxygen
Oxygen er nødvendigt for at modtage de frie elektroner. Andre organismer kan bruge andre stoffer, som godt nok ikke er så effektive.
Denitrifikationen er fx en proces, hvor bakterier nedbryder organisk stof og de bruger nitrat som oxidationsmiddel.
Et andet eksempel er svovlbakterier vi mødte i NV. De er almindelige under iltsvind på havbunden, og kan skabe bundvending med hydrogensulfid.
Oxygen er det oxidationsmiddel som giver størst energiudbytte, men i fraværet af O2 kan andre stoffer bruges.
Gæring
Gæring er en ufuldstændig nedbrydning uden brug af ilt. dvs. der er et energirigt restprodukt. Den mest kendte gæring er alkoholgæring og restproduktet er alkohol, som har et energiindhold der er større end i glukose. Det er ikke kun gær som kan lave alkohol, men også damkarudser (minder om brasen) samt mange planter.
Video over den samlede proces.