celleånding

Glykolysen begynner med at ett glukose-molekyl brytes ned til to pyruvat-molekyler. Dette skjer gjennom ti etterfølgende biokjemiske reaksjoner. Noen av trinnene i glykolysen er redoks-reaksjoner hvor elektronene som frigjøres fanges opp av elektronbæreren NAD⁺ som sammen med H⁺ reduseres til NADH. I tillegg frigjøres det to ATP-molekyler.

De to pyruvat-molekylene transporteres fra cytosol og inn i mitokondriene. Der oksideres de til to acetyl-CoA-molekyler. I denne reaksjonen frigjøres to molekyler karbondioksid.

Acetyl-CoA går inn i sitronsyresyklus hvor nedbrytningen av glukose til karbondioksid fullføres gjennom åtte trinn. Også her er noen av trinnene redoks-reaksjoner hvor elektronene som frigjøres fanges opp av elektronbærerne NAD⁺ og FAD²⁺ som sammen med H⁺ reduseres til henholdsvis NADH og FADH₂. I sitronsyresyklus frigjøres også to ATP-molekyler.

Mesteparten av ATP-produksjonen foregår i mitokondrienes indre membran gjennom oksidativ fosforylering som består av to nært sammenkoplede deler: elektrontransportkjeden og kjemiosmose.

Elektrontransportkjeden er lokalisert i den indre mitokondriemembranen. Kjeden består av fire store enzymkomplekser etter hverandre. Her føres elektroner fra ett enzym til et annet gjennom en rekke redoks-reaksjoner. Energi frigjøres i disse elektronoverføringene og enzymene pumper protoner (hydrogenioner) ut i det intermembranøse rommet. Dette skaper en forskjell i konsentrasjon av protoner over den indre membranen. Dette kalles en elektrokjemisk gradient – en protongradient – over den indre mitokondriemembranen.

Det er elektronbærerne NADH og FADH2 som forsyner elektrontransportkjeden med elektroner som de fanget opp under nedbrytningen av glukose. I enden av kjeden fungerer oksygen som en siste elektronmottaker som fanger opp elektroner, slår seg sammen med to H⁺ ioner (protoner) og omdannes til vann (H₂O). Det er oksygenets rolle som elektronmottaker som er årsaken til at vi og de aller fleste andre organismer er helt avhengig av oksygen.

Ved kjemiosmose brukes energien som er lagret i protongradienten til å produsere ATP.

Produksjonen av ATP avhenger av et stort enzymkompleks, ATP-syntase. Protongradienten som bygges opp av elektrontransportkjeden gjør at konsentrasjonen av protoner er høyere i intermembranrommet enn i det innerste hulrommet i mitokondriene. Protoner kan derfor transporteres tilbake til matriks gjennom ATP-syntasen. Energien som frigjøres i denne transporten gjør at ADP fosforyleres til ATP. Behovet for oksygen og fosforylering av ADP til ATP har gitt navnet til prosessen, oksidativ fosforylering.

De fleste prokaryote organismer driver også aerob celleånding. Ettersom disse organismene ikke har mitokondrier, foregår alle de katabolske prosessene i cytosol, mens elektrontransportkjeden og ATP-syntasen er lokalisert i cellemembranen.

Dersom cellen har behov for en bestemt aminosyre, vil den anabolske prosessen som produserer aminosyrene skrus på. Dette krever ATP og celleåndingshastigeten øker. Når cellen har tilstrekkelig mengde med aminosyren, vil den anabolske prosessen skrus av, og celleåndingshastigheten reduseres.

Det som regulerer celleåndingshastigheten er hovedsakelig mengden ATP tilgjengelig i cellen. Dersom cellen arbeider hardt og ATP-konsentrasjonen faller, så vil mengden AMP falle. AMP er nedbrytningsproduktet av ATP. Dette påvirker et enzym, fosfofruktokinase, i glykolysen. Høy AMP-konsentrasjon øker reaksjonshastigheten til fosfofruktokinase slik at dannelsen av pyruvat fra glukose går raskere og det dannes mer ATP. Dersom cellen ikke arbeider så hardt og ATP-konsentrasjonen øker, så reduseres reaksjonshastigheten til fosfofruktokinase og det dannes mindre ATP.

Stoffskiftet er summen av alle kroppens kjemiske reaksjoner som bidrar til å skaffe energi til cellenes livsnødvendige prosesser. Aerob celleånding inngår her som den viktigste energigivende prosessen. Stoffskiftet hos mennesker reguleres av hormonet tyroksin som produseres av skjoldbruskkjertelen (thyroidea). Det er tyroideastimulerende hormon (TSH) fra hypofysen som regulerer tyroksinutskillelsen fra skoldbruskkjertelen.

Tyroksin påvirker celleåndingshastigheten. Tyroksin forekommer i to varianter, T4 og T3, hvor T4 er bygget opp av to tyrosinaminosyrer og fire jodatomer. T4 fungerer som en forløper til T3 som kun har tre jodatomer. T3 regulerer celleåndingen ved å binde til tyroksinreseptorer. Tyroksinreseptorer er DNA-bindende transkripsjonsfaktorer som sammen med T3 regulerer uttrykket av gener som både påvirker elektrontransportkjeden og strukturen på mitokondrienes indre membran. Tyroksin påvirker både gener i cellens kjerne og mitokondrielle gener.

Insulin og glukagon er andre hormoner som er svært viktige for å opprettholde et jevnt nivå av blodsukker og som dermed er viktige i regulering av celleåndingen. Insulin og glukagon skilles begge ut fra bukspyttkjertelen, henholdsvis fra beta- og alfacellene. Insulin skilles ut som respons på høyt blodsukker og sørger for at glukose fjernes fra blodet og går inn i ulike celletyper via glukosekanalene GLUT 4. Ved overskudd av glukose omdannes glukose til glykogen som lagres i leveren. Ved lavt blodsukker stimuleres utskillelse av glukagon som påvirker nedbrytningen av glykogen til glukose.

Utskillelse av insulin reguleres av celleåndingen i beta-cellene. Disse cellene har spesielle glukosekanaler, GLUT2. Ved høye konsentrasjoner av glukose fraktes glukose med sin konsentrasjonsgradient inn i beta-cellene. Dette fører til en økt celleåndingsrate i disse cellene, og det produseres store mengder ATP. Dette gir signal til cellen om å skille ut insulin.

Kun en liten del av næringsstoffene vi får i oss går til produksjon av ATP. Mesteparten av energien fra maten vi spiser, blir til varme. Varmen holder organismen varm.

Alle reaksjonene i cellene reguleres av enzymer, og alle enzymer har et såkalt temperaturoptimum – en temperatur hvor de fungerer optimalt. Både høy kroppstemperatur (feber, hypertermi) og lav kroppstemperatur (hypotermi) kan være farlig for organismen da det kan forstyrre funksjonen til enzymene.

Celleåndingen er påvirket av temperatur i omgivelsene. Celleåndingsraten øker både ved lave temperaturer og høye temperaturer. Ved lave temperaturer begynner vi å skjelve. Dette er muskelsammentrekninger som øker celleåndingsraten og dermed også varmeproduksjonen. Ved høye temperaturer må organismen sørge for å ikke bli overopphetet, og celleåndingsraten øker for å fjerne overskuddsvarme fra kroppen – vi svetter.

Nyfødte barn kan ikke regulere kroppstemperatur like godt som større barn og voksne. De er ikke i stand til å skjelve hvis de blir kalde, og de kan ikke respondere på varme ved å flytte seg eller kle av seg. Kroppstemperatur hos nyfødte barn reguleres gjennom brunt fettvev. Dette er fettvev som er lokalisert foran på barnets bryst, i nakken og ryggen. Brunt fettvev er bygget opp av fettceller som inneholder mange mitokondrier som driver celleånding gjennom termogenese.

Termogenese er en prosess som bare produserer varme fra næringsstoffer uten at ATP blir produsert. Dette skjer ved at celleåndingens tre prosesser – glykolysen, pyruvatoksidasjon og sitronsyresyklus – går som normalt. Elektroner leveres til elektrontransportkjeden, og det genereres en protongradient. Men istedenfor at protonene fraktes gjennom ATP-syntasen for dannelse av ATP, transporteres protonene via en protonkanal kalt UCP-1 (for uncoupling protein 1, også kalt termogenin) tilbake til mitokondrienes indre rom (matriks). Protonene fraktes da tilbake til matriks med sin protongradient og denne transporten frigir protonenes bevegelsesenergi som varme. Etter hvert som babyen blir større, vil det brune fettvevet reduseres i takt med at barnet kan regulere kroppstemperaturen gjennom skjelving og svetting.

Termogenese forekommer også hos dyr som går i dvale (hibernering), som for eksempel brunbjørn. Termogenese er årsaken til at varmblodige dyr i dvale kan opprettholde en relativt høy kroppstemperatur selv om temperaturen i omgivelsene er lav.

Vekselvarme dyr endrer kroppstemperaturen i takt med omgivelsene, og dette vil påvirke celleåndingsraten. Hos en firfirsle går celleåndingen svært sakte ved lave temperaturer, mens ved høye temperaturer går den raskere. Dette betyr at firfirsler ikke klarer å være særlig aktive når temperaturen er lav, fordi det blir produsert for lite ATP. Ved høye temperaturer vil celleåndingen være svært effektiv hvis de får i seg nok næring.

For å få nok energi til livsprosessene er alle organismer helt avhengig av å få energi tilført utenfra. Planter og alger omdanner solenergi til sukkerholdige forbindelser som benyttes i celleåndingen, mens dyr må spise planter eller andre dyr for å få tilført næring. Celleåndingen reguleres derfor også av tilgang på næring.

Både karbohydrater, fett og proteiner er viktige energikilder. Karbohydrater er det som er lettest tilgjengelig og vil forbrukes først. Karbohydrater i form av stivelse eller sukrose brytes ned i fordøyelsessystemet til glukose og kan benyttes direkte i glykolysen.

Proteiner må først brytes ned til aminosyrer, men siden aminosyrer i hovedsak benyttes til å bygge nye proteiner, er proteiner en mindre effektiv energikilde. Ved proteinoverskudd kan aminosyrer omdannes til mellomprodukter i glykolysen og sitronsyresyklus. Før det skjer, må aminogruppen på aminosyrene fjernes i en prosess som kalles deaminering. Nitrogenoverskuddet fjernes fra kroppen som urea eller andre avfallsstoffer.

Fett er en god energikilde, men før fett kan benyttes i celleåndingen, må det først brytes ned til glyserol og fettsyrer. Glyserol omdannes til glyseraldehyd-3-fosfat, et mellomprodukt i glykolysen. Mesteparten av den potensielle energien i fett er lagret i fettsyrene, i bindingene mellom karbon og hydrogen. Gjennom prosessen beta-oksidasjon brytes fettsyrene ned til acetyl-CoA som deretter kan gå inn i sitronsyresyklus. Ved beta-oksidasjon dannes også elektronbærerne NADH og FADH₂ som forsyner elektrontransportkjeden med elektroner. Fett utgjør en svært god energikilde på grunn av de lange fettsyrekjedene. Oksidering av ett gram fett gir dobbelt så mye ATP som oksidering av ett gram karbohydrater. Dette betyr også at forbrenning av fett krever langt mer enn forbrenning av karbohydrater. Vi må altså jobbe hardere for å kvitte oss med fett enn karbohydrater.

Hypotyreose skyldes for lav tyroksinproduksjon og gir lavt stoffskifte, mens for høy produksjon av tyroksin kalles hypertyreose og gir høyt stoffskifte. Ofte betegnes slike sykdommer med henholdsvis lav og høy forbrenning.

Hypotyreose kan gi en rekke symptomer som slapphet, nedstemthet og depresjon, vektøkning, hukommelsessvikt og frysninger. Hypotyreose kan skyldes at pasienten har en autoimmunreaksjon mot skjoldbruskkjertelen slik at det ikke produserer normale mengder tyroksin. Hypotyreose kan behandles med å innta tyroksin i tablettform.

Hypertyreose gir også en rekke ulike symptomer som vekttap, nervøsitet, hjertebank, svetting og tretthet. Hos pasienter med hypertyreose produserer skjoldbruskkjertelen for store mengder tyroksin og kan i likhet med hypotyreose skyldes en autoimmun reaksjon mot skjoldbruskkjertelen slik at den produserer for store mengder tyroksin. Hypertyreose kan behandles med medisiner som hemmer tyroksinproduksjonen.

Diabetes er også en stoffskiftesykdom som skyldes manglende insulinproduksjon (diabetes type 1) eller manglende respons på insulin (diabetes type 2). I fravær av insulin blir ikke glukose fjernet fra blodet. Blodsukkeret blir høyt, og cellene i kroppen får ikke tilgang på tilstrekkelig glukose til å drive celleåndingen. Cellene vil begynne å bryte ned fett som energikilde til celleåndingen. Et biprodukt av fettforbrenningen er ketoner, og opphopning av ketoner kan føre til diabetisk ketoacidose – en forsuring av blodet. Tilstanden er alvorlig og kan i verste fall føre til død. Den vanligste årsaken til diabetes type 1 er en autoimmun reaksjon mot betacellene som ødelegger cellene. Hvorfor noen får diabetes type 1 er uklart, men antakelig skyldes det en kombinasjon av arv og miljø. Personer med diabetes type 1 må tilføre kroppen insulin resten av livet.

Diabetes type 2 skyldes antakelig en kombinasjon av arv og miljø og er en sykdom som utvikler seg over tid. Insulinproduksjonen kan være nedsatt eller den kan være normal, men hvor virkningen av insulin er nedsatt. Uansett er effekten at glukose i mindre grad fjernes fra blodet og blodsukkeret øker. Cellene får da mindre glukose tilgjengelig for å drive celleånding. Diabetes type 2 kan behandles i hovedsak med fysisk aktivitet og endring av levevaner. I noen tilfeller kan blodsukkersenkende medisiner og insulin også gis til personer med diabetes type 2.