Cellandning är den process genom vilken levande organismer får energi från mat. Det finns två huvudsakliga metoder. Aerob andning – som används av alla flercelliga och vissa encelliga livsformer – använder syre i atmosfären, eller löst i vatten, som en del av en komplex process som frigör och lagrar energi. Anaerob andning används av en mängd olika encelliga organismer och involverar inte okombinerat syre.
Uppkomsten av aerob andning
De första livsformerna på jorden kom till i en värld utan fritt syre. De använde anaeroba processer för att förse sig med energi. Vid någon tidpunkt, fortfarande tidigt i jordens historia, utvecklades organismer som använde fotosyntes för att producera sockermolekyler med hjälp av koldioxid, erhållen från atmosfären och vatten. Sockret fungerade som en energikälla och processen producerade syre som en biprodukt. Syre var giftigt för många anaeroba organismer, men vissa utvecklades för att använda det i en ny typ av andning som faktiskt gav mycket mer energi än den anaeroba processen.
De tidigaste livsformerna bestod av celler som inte hade några kärnor eller andra väldefinierade strukturer. Dessa är kända som prokaryoter och omfattar organismer som bakterier och cyanobakterier, även kända som blågröna alger. Senare uppstod celler med kärnor och andra strukturer; dessa är kända som eukaryoter. De inkluderar vissa encelliga och alla flercelliga organismer, såsom växter och djur. Alla eukaryoter och vissa prokaryoter använder aerob andning.
Hur aerob andning fungerar
Celler lagrar energi i en molekyl som kallas adenosintrifosfat (ATP). Denna förening innehåller tre fosfatgrupper (PO4), men kan frigöra energi genom att förlora en av dessa för att bilda adenosindifosfat (ADP). Omvänt kan ADP få en fosfatgrupp för att bli ATP och på så sätt lagra energi.
En annan viktig molekyl är nikotinamidadenindinukleotid. Det kan existera i två former: NAD+, som kan ta emot två elektroner och en vätejon (H+) för att bilda NADH, som kan ge elektroner till andra molekyler. Föreningen används i andning för att transportera elektroner från en plats till en annan.
Utgångspunkten för andning är glukos (C6H12O6), en av de enklaste kolhydraterna. Mer komplexa sockermolekyler i mat bryts först ner till denna förening. Glukos bryts i sin tur ner av en process som kallas glykolys, som sker i cytoplasman, eller cellvätskan, och är gemensam för både anaerob och aerob andning.
glykolys
Glykolysprocessen använder två ATP-molekyler för att omvandla glukos, som har sex kolatomer, till två trekolmolekyler av en förening som kallas pyruvat i en serie steg. I slutet av denna process produceras fyra ATP-molekyler, så att det finns en total förstärkning av två ATP, vilket representerar en vinst i lagrad energi. Glykolys resulterar också i att två NAD+-molekyler vardera tar två elektroner och en vätejon från glukosen för att bilda NADH. Sammantaget resulterar därför glykolys i två molekyler av pyruvat, två av ATP och två av NADH.
I eukaryota celler sker de återstående stadierna av aerob andning i strukturer som kallas mitokondrier. Dessa små organ tros en gång ha varit oberoende organismer som införlivades i cellerna någon gång i det avlägsna förflutna. Varje pyruvatmolekyl omvandlas, med hjälp av NAD+, till en förening som kallas acetyl coA, förlorar ett kol och två syreatomer för att bilda koldioxid som en avfallsprodukt och bilda ytterligare en molekyl av NADH.
Krebs-cykeln
Nästa steg kallas Krebs-cykeln, även känd som trikarboxylsyra- (TCA) eller citronsyracykeln. Acetyl coA från pyruvat kombineras med en förening som kallas oxaolacetat för att producera citrat, eller citronsyra, som, i en serie steg som involverar NAD+, producerar ATP såväl som NADH och en annan molekyl som kallas FADH2, som har en liknande funktion. Detta resulterar i att citronsyran omvandlas tillbaka till oxaloacetat för att börja cykeln igen. Varje avslutad cykel producerar två molekyler av ATP, åtta av NADH och två av FADH2 från två molekyler av pyruvat.
Elektrontransportfosforylering
Det sista steget är känt som elektrontransportfosforylering eller oxidativ fosforylering. Vid denna tidpunkt i processen används elektronerna som bärs av NADH och FADH2 för att ge energi för att fästa fosfatgrupper till ADP-molekyler för att producera upp till 32 molekyler ATP. Detta sker vid mitokondriernas membran via en serie av fem proteiner, över vilka elektronerna transporteras. Syre, som lätt tar emot elektroner, krävs för att ta bort dem i slutet av processen. Syret kombineras sedan med vätejoner som frigörs från NADH för att bilda vatten.
Effektivitet
Sammantaget kan den aeroba andningsprocessen i teorin producera upp till 36 energilagrande molekyler av ATP för varje glukosmolekyl, jämfört med bara två för anaerob andning, vilket gör det till en mycket mer energieffektiv process. I praktiken tror man dock att cirka 31 eller 32 ATP-molekyler vanligtvis produceras, eftersom andra reaktioner kan ske i slutskedet. Även om denna process är ett mycket effektivt sätt att producera och lagra energi, producerar den också små mängder mycket reaktiva former av syre, kända som peroxider och superoxider. Dessa är potentiellt skadliga för celler och vissa forskare tror att de kan vara inblandade i åldrande och i vissa sjukdomar.