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Cellular Respiration

Cellular respiration 是指細胞如何將大的分子分解成一小份一小份，以及最後將分解出來的 energy 儲存為 ATP 的過程。細胞分解 glucose 的過程中，必須會進行 catabolic reactions，並且從高能量的環境轉變成低能量的環境，最後將 energy 釋放出來，其中一部分製造出 ATP 以及另一部分則消散為 heat。在整個過程中，electron carriers 就負責將 electrons 從一個物質轉移到另一個物質，帶動整個細胞呼吸的過程。

Introduction to cellular respiration​

在 Energy and Enzymes 篇章裡有提到 ATP

  • 細胞如何將甜美的 glucose 轉換成方便儲存使用的 ATP
    • 必須要進行 catabolic reactions
    • 意思是要將大的分子分解成一小份一小份
    • 例如以下公式代表 glucose 在 oxygen 中被分解成 6 個 carbon dioxide 和 6 個 water molecules
C6H126O2→6CO2+6H2OΔG=−686 kcal/mol\begin{aligned} &\text{C}_6\text{H}_{12}6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2+6\text{H}_2\text{O} && \Delta G = -686\text{ kcal}/\text{mol} \end{aligned}

  • Glucose bond 中的 energy 將透過分解被釋放

    • 有的儲存為 adenosine triphosphate (ATP) 格式
    • 有的消散為 heat

  • 其中 ATP 可以"直接"透過 substrate-level phosphorylation 產生

    • 由 phosphate group 找到 ADP 一起合成出來的

  • ATP 也可以"間接"產生

    • 一些 glucose 的 electrons 運送到 electron carriers (small molecules)
    • Carriers 帶著 electrons 來到細胞內的 mitochondrion
    • 找到了 electron transport chain (protein)
    • Electrons 就在 ETC 上面從 high energy 變成 low energy
      • ultimately passed to oxygen (forming water)

詳細的說，ETC 上的 electrons 釋放的 energy 會用來 pump protons (H+\text{H}^+)

  • Pump 產生 electrochemical gradient
    • 往 mitochondrion 內流的 H+ 會經過 ATP synthase (enzyme)
      • 幫助合成 ATP
      • 這個作用稱為 oxidative phosphorylation

下圖展示了 substrate-level 和 oxidative phosphorylation

Substrate-level and oxidative phosphorylation
Substrate-level and oxidative phosphorylation

Glucose 等燃料透過上圖 electron transport chain 分解的過程，稱作 cellular respiration !

Electron carriers​

負責載運 electrons 的 electron carriers 有兩種類型

  • NAD+\text{NAD}^+
    • nicotinamide adenine dinucleotide
  • FAD\text{FAD}
    • flavin adenine dinucleotide

當他們得到 electrons 時，順便會收下 hydrogen atoms 形成稍微不同的型式

NAD++2e−+2H+→NADH+H+FAD+2e−+2H+→FADH2\begin{aligned} &\text{NAD}^+ + 2\text{e}^- + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{NADH} + \text{H}^+ \\ &\text{FAD} + 2\text{e}^- + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{FADH}_2 \end{aligned}

丟掉 electrons 就會恢復原狀

NADH→NAD++2e−+H+FADH2→FAD+2e−+2H+\begin{aligned} &\text{NADH} \rightarrow \text{NAD}^+ + 2\text{e}^- + \text{H}^+ \\ &\text{FADH}_2 \rightarrow \text{FAD} + 2\text{e}^- + 2\text{H}^+ \end{aligned}

這樣 gain/lost electrons 的反應又可以統稱為 redox reactions

Redox reactions​

Cellular respiration 有非常多 electrons 互相 pass 的情況

  • 所有包括 electron transfers 的統稱為 oxidation-reduction reactions (redox reactions)
    • 失去或是無法繼續 hog electrons 的 molecules 就是被 oxidized
    • 從被 oxidized molecules 獲得或 hog electrons 的 molecules 就是被 reduced

為何要區分「失去」跟「Hog」 electrons 呢，我們舉兩個例子 :

Magnesium chloride​

我們用合成 magnesium chloride 來作為失去 electron 的例子

Mg+Cl2→Mg2++2Cl−\text{Mg} +\text{Cl}_2 \rightarrow \text{Mg}^{2+} + 2\text{Cl}^-
  • 上面的 reaction 告訴我們
    • magnesium atom 完全失去了 2 個 electrons
      • 所以是 oxidized
    • chlorine atoms 則完全接收了這 2 個 electrons
      • 所以是 reduced

Water​

我們另外用合成 water 來作為 hog electron 的例子

2H2+O2→2H2O+heat2\text{H}_2 + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{H}_2\text{O} +\text{heat}
  • 在外觀看起來沒有任何電子的轉移
    • H atoms 原本就能很好的共享 electrons
    • O atoms 也能很好的共用彼此 electrons
  • 但因為成為 product 後跟原本 reactant 的 electron density 改變了 !
    • 因為 oxygen 有更強的 electronegative
    • 所以變成 H2O\text{H}_2\text{O} 之後，變成 oxygen hog 2 個 electrons

所以儘管沒有 electron 的 gain/lost，我們還是能總結在反應過後

  • O 有更多的 electron density，所以是 reduced
  • H 降低了 electron density，所以是 oxidized

Biological Redox reactions (trick)​

在 biology 中，有一個 trick 用來取代 electrons 來判斷 redox reactions

  • 當含有 carbon 的 molecules 在 reaction 期間

    • 獲得 H atoms 或失去 O atoms
    • 那他就是 reduced (gain electrons or electron density)

  • 當含有 carbon 的 molecules 在 reaction 期間

    • 失去 H atoms 或獲得 O atoms
    • 那他就是 oxidized (lost electrons or electron density)

用 glucose breakdown 舉例

C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}
  • 在 glucose 時的 carbon 是有跟 H atoms 來往的
    • 但變成 carbon dioxide 之後就沒有跟 H atoms 來往了
    • 所以 glucose 應該是被 oxidized
  • 在 glucose 時的 oxygen 沒有跟 H atoms 有來往
    • 但變成 water 之後就有跟 H atoms 來往了
    • 所以 oxygen 應該是被 reduced

為什麼在 biology 可以這麼草率判斷 oxidation/reduction ?

  1. 因為 H 通常會與 organic molecules 結合
  • 例如 C, O, N, P
  • 這些 atom 都比 H 擁有更大的 electronegative
  • 所以當含有這些 atom 的 molecules 與 H 結合，自然多為 reduced
  1. 因為 O 原本其他主要 biological molecules 的 atoms 還要更加 electronegative
    • 所以跟 O 結合的 molecules 的 electron 通常會被 O 給 hog 走
    • 這些 molecules 就多為 oxidized

Why redox​

Redox 的目的就是要從反應中獲得 energy 呀 !

  • Electrons 在 less electronegative atoms 的時候會有 higher energy
    • 例如在 C 或 H 身邊時
  • Electrons 在 more electronegative atoms 的時候會有 lower energy
    • 例如在 O 身邊時

所以從 glucose 到 oxygen 的過程，就是從 higher energy 轉換到 lower energy

  • Energy 就會在轉換過程中一步一步的釋放出 energy
    • Energy 就會被抓來作功或儲存
  • Cellular respiration 的最終目標
    • 就是將每個階段產生的 energy 轉換成 ATP 形式
Glucose redox breakdown
Glucose redox breakdown

Steps of cellular respiration​

Cellular respiration 有四大步驟，是地球中一種很美的 metabolic pathway (代謝途徑)

Cellular respiration steps
Cellular respiration steps

Cellular respiration 主要目標是將養分 (e.g., glucose) 轉化成能量 (e.g., ATP)

  • 在 glucose 分解過程，會被拆解成 carbon dioxide, water 然後經過一些方法產出 ATP
    • 有的 ATP 是直接被生產
    • 有的 ATP 需透過 oxidative phosphorylation 來生產
      • electrons 在 electron transport chain 移動產生的能量
        • ETC 是 mitochondrion inner membrane 中一系列的 proteins
      • electrons 來自 glucose，並由 electron carriers (NAD+, FAD) 運送到 ETC
        • 所以會變成 NADH 跟 FADH2

現在來將四個步驟各別進行簡單的解釋

  1. Glycolysis

    • 將 glucose (6 carbon sugar) 進行一連串 chemical transformations
    • 轉換成 2 個 molecules 叫做 pyruvate (3 carbon organic molecule)
    • 並且直接產生出 ATP
    • 而 NAD+ 獲得 electrons 變成 NADH

  2. Pyruvate oxidation (Oxygen needed)

    • 2 個 pyruvate 進入 mitochondrial matrix
    • 結合 coenzyme A 形成 acetyl CoA (2 carbon molecule)
    • 釋放出 carbon dioxide
    • 而 NAD+ 一樣獲得 electrons 變成 NADH

  3. Citric acid cycle (Oxygen needed)

    • Acetyl CoA 結合一個 4 carbon molecule 進行一個 cycle 的 reactions
    • 最終又產出一個 4 carbon molecule
    • 直接產生 ATP
    • 結合 electron 產生出 NADH, FADH2
    • 釋放出 carbon dioxide

  4. Oxidative phosphorylation (Oxygen needed, directly used)

    • NADH 和 FADH2 來到 ETC 釋放出 electrons，變回 NAD+ 跟 FAD
    • Electrons 移動釋放能量來 pump protons 形成 gradient
    • 回到 matrix 的 protons 通過 ATP synthase (enzyme) 產生 ATP
    • Oxygen 最終會和 electrons 形成水

因為後三個工程都需要用到 oxygen，所以在第一步 glycolysis 沒有使用 oxygen 的話，會變成 fermentation !

接下來我們將詳細認識這四個大工程

Glycolysis​

人類、生物跟某些細菌一樣，在處理 glucose 代謝前的第一步一定是 glycolysis

  • Glycolysis 將把 glucose (6 carbon) 拆成 2 個 pyruvate (3 carbon) molecules
    • Glycolysis 在過程中會從 glucose 萃取 energy
    • Glycolysis 不需要 oxygen 的參與就可進行

Glycolysis 總共有 10 個步驟，想要更詳細的知道其中的化學原理，可以參考 Steps of glycolysis， 但這邊我只想要了解簡單版本

  • Glycolysis 在 cytosol 中進行，主要有兩階段
    • Energy-requiring phase (下圖虛線上方)
    • Energy-releasing phase (下圖虛線下方)
Glycolysis overview
Glycolysis overview

Energy-requiring phase​

  • Glucose 被重新排列，和 2 個 phosphate groups 結合
    • 產生了新的 sugar 叫做 fructose-1,6-bisphosphate (unstable)
    • 2 個 P 是從 ATP 變成 ADP 而來，所以 glycolysis 需要 2 個 ATP
  • 因為不穩定，所以可以被拆成 2 個擁有 3 個 carbon 的 sugars
    • 一個叫 glyceraldehyde-3-phosphate 可以接下去工作
    • 一個叫 DHAP 不能工作下去，但他可以輕鬆轉換成 glyceraldehyde-3-phosphate
    • 所以最後會有 2 個 glyceraldehyde-3-phosphate

Energy-releasing phase​

  • 在這個階段，每個 glyceraldehyde-3-phosphate 要變成 pyruvate 會經過一些反應
    • 反應中將產生 2 個 ATP 和 1 個 NADH
    • 所以共會產生 4 個 ATP 和 2 個 NADH
      • 因為有 2 個 glyceraldehyde-3-phosphate

Glycolysis 的所有反應都有獨自的 enzyme 來幫助催化

  • 例如 phosphofructokinase 幫助 fructose-1,6-bisphosphate 進行催化
    • 能根據細胞所需能量，調節 glycolysis 的速度

總結一下，在 Glycolysis 將 1 個 glucose:

  • 轉成 2 個 pyruvates (3 carbon molecule)
  • 花費 2 個 ATP 得到 4 個 ATP (淨生產是 2 個 ATP)
  • 得到 2 個 NADH molecules

Pyruvate oxidation​

Glycolysis 產生的 2 個 pyruvates 還可以透過 oxidation 被萃取出 energy

  • Pyruvate oxidation 會在 mitochondria 最內部的 matrix 進行 (eukaryotes)
    • 若是 prokaryotes 會在 cytoplasm 進行
  • Oxidation 中，Pyruvate 會變成 Acetyl CoA
    • Pyruvate 去除一個 carbon 並與 Coenzyme A 組合而成
    • 產生 NADH
    • 釋放 carbon dioxide

Acetyl CoA 將成為下一個工程 citric acid cycle 的燃料 !

Pyruvate oxidation process
Pyruvate oxidation process

  1. 首先 carboxyl group (藍色) 將會從 pyruvate 提取出來

    • carboxyl 會被作為 carbon dioxide 釋放
    • 留下剩下的 2 個 carbon 部分

  2. 剩下的 2 個 carbon 部分會被 oxidized

    • 失去的 electron 會和 NAD+ 形成 NADH

  3. Oxidized 後的東西叫做 acetyl group (綠色)

    • Acetyl group 和 Coenzyme A (CoA) 組合形成 acetyl CoA
    • Acetyl CoA 其實是一個 carrier
      • 運送 acetyl group 去 citric acid cycle

整個過程有一個大的 enzyme complex 叫做 pyruvate dehydrogenase complex 幫助

  • Pyruvate dehydrogenase complex 由 3 個 enzymes 組成
    • 有 60 個 subunits
    • 調節 acetyl CoA 生成的速度

我們將 glycolysis 生成的 2 個 pyruvates 帶進 oxidation 總結可以得到:

  • 2 個 acetyl CoA
  • 2 個 NADH
  • 2 個 carbon dioxide 釋放
    • Glucose 的 6 個 carbon 有 2 個不見了

Citric acid cycle (Krebs cycle)​

Citric acid cycle 是 cellular respiration 的核心，甚至有三個名字

  • Citric acid cycle
    • 第一個參與的東西是 citric acid (檸檬酸)
  • Tricarboxylic acid (TCA) cycle
    • 前兩個反應的媒介是 3 個 carboxyl groups
  • Krebs cycle
    • 發現者是 Hans Krebs

在 Citric acid cycle 會產生非常多的 NADH 和 FADH2 與幾個 ATP，這些 NADH, FADH2 將會在 ETC 被轉換成非常多的 ATP

Citric acid cycle 一樣在 mitochondria 的 matrix 執行 (Eukaryotes)，或在 cytoplasm (Prokaryotes)

Citric acid cycle
Citric acid cycle

主要會有 8 大步驟形成封閉的迴圈，但這邊一樣簡單理解一下就好

  • 首先 acetyl CoA 會和 oxaloacetate (4 carbon acceptor) 組成 citrate 並重新排列
    • Citrate 就是 cycle 命名原因，有 6 個 carbon
  • 接著會將 2 個 carbon 以 carbon dioxide 釋放掉
    • 產生 2 次 NADH molecule
  • 到這邊有一些 enzymes 非常重要，掌握了整個 cycle 的快慢

到這邊 carbon 從 6 變成 4 個，跟最終要變回的 oxaloacetate 一模一樣

  • 接著進行反應產生 1 個 GTP (可以變成 ATP)
  • 一次 FAD 變成 FADH2
  • 一次 NAD+ 變成 NADH
  • 變回 oxaloacetate

最後我們總結一下，一個 Glucose 在 Citric acid cycle 的收穫

  • 因為 glucose 產生 2 個 acetyl CoA (from pyruvates) 所以每個都要乘以 2
    • 進入 2 個 carbon 釋放 2 個 carbon dioxide * 2
    • 產生 3 個 NADH * 2
    • 產生 1 個 FADH2 * 2
    • 產生 1 個 GTP (ATP) * 2

所以淨收穫是 6 個 NADH 和 2 個 FADH2 還有 2 個 ATP

想看更完整的化學反應可以參考下圖

Citric acid cycle reactions
Citric acid cycle reactions

Oxidative phosphorylation​

為什麼人沒呼吸、缺氧就會死掉 ? 跟 oxidative phosphorylation 有很大的關係

  • Oxidative phosphorylation 需要 oxygen 才能運作
    • 由兩大元件組成
      • Electron transport chain
        • electrons 在 molecules 之間進行 transfers
        • 製造了 electrochemical gradient 的環境
      • Chemiosmosis
        • 利用 gradient 來產出 ATP

Oxygen 出現在 electron transport chain 的最後

  • Oxygen 將領取 electrons 和 protons 來形成 water
    • 如果沒有 oxygen (閉氣) 整個流程會停止
    • ATP 就不再會由 chemiosmosis 產生
    • 導致所有細胞都沒有 energy 能夠推動運作
Oxidative phosphorylation
Oxidative phosphorylation
  • 主角 electron transport chain (ETC) 是位在 mitochondria 的 inner membrane 中的一系列 proteins
    • Electrons 將會在 transport chain 之間位移，進行一連串的 redox reactions
    • 釋放出的 energy 將成為 proton gradient 作為 chemiosmosis 的利用工具
    • Chemiosmosis 是產生 ATP 的 process
    • electron transport chain 和 chemiosmosis 就是 oxidative phosphorylation 的核心

簡單來說，oxidative phosphorylation 過程可以用以下四點來解釋 :

  1. Delivery of electrons by NADH and FADH2

    • Respiration 前三步驟產生的 NADH 和 FADH2 終於能卸貨
    • 把身上的 electrons 都放到 transport chain 的起點
    • 然後變回 NAD+ 和 FAD 繼續回到其他地方工作

  2. Electron transfer and proton pumping

    • Electrons 在 chain 上從 higher energy 移動到 lower energy level
    • 釋放的 energy 被用來 pump H+ ions
    • H+ ions 離開 matrix 來到 intermembrane space
    • 外部的 H+ 濃度大於內部，產生了 electrochemical gradient

  3. Splitting of oxygen to form water

    • 在 chain 的終點，這些 electrons 會和 molecular oxygen 結合產出水分子

  4. Gradient-driven synthesis of ATP

    • H+ ions 隨著 gradient 移回 matrix
    • 他們會通過一種 enzyme 叫做 ATP synthase
    • 將 ADP 合成為 ATP

以上只是對過程的簡單解釋，詳細過程只用下面兩張圖帶過

  • The electron transport chain
The electron transport chain
The electron transport chain
  • Chemiosmosis
Chemiosmosis
Chemiosmosis

ATP yield​

  • 現在來統整一下 ATP 的總收益
  • 根據研究， 4 個 H+ ions 進行 pump 可以產生 1 個 ATP
    • 一個 NADH 所帶的 electrons
      • 約可產生 10 H+ ions 來 pump 產生約 2.5 個 ATP
    • 一個 FADH2 所帶的 electrons
      • 約可產生 6 H+ ions 來 pump 產生約 1.5 個 ATP
StageDirect productsUltimate ATP yield (net)
Glycolysis2 ATP2 ATP
2 NADH3-5 ATP
Pyruvate oxidation2 NADH5 ATP
Citric acid cycle2 ATP/GTP2 ATP
6 NADH15 ATP
2 FADH23 ATP
Total30-32 ATP
  • 因為 glycolysis 是在 cytosol 發生
    • NADH 無法直接來到 mitochondria 內部，需要額外的 shuttle system
      • 人體細胞有的需要利用 FADH2 來幫助
        • 所以只能產生 3 個 ATP
      • 有的細胞能用 NADH 幫助
        • 所以能產生 5 個 ATP
      • 細菌一律在 cytosol 進行，所以一定產生 5 個 ATP

另外 30-32 ATP 甚至有點高估，因為 energy 有時會直接供應其他地方使用

Fermentation and anaerobic respiration​

酵母是如何將大麥麥芽發酵成啤酒 ? 肌肉如何處理無氧運動 ? 都跟在 cytoplasm 發生的以下兩件事有關

  • 這兩件事皆發生於 aerobic cellular respiration 無法進行時
    • Aerobic = oxygen using
    • 也就是 oxygen 不在 electron transport chain 的最後幫忙
  • 這些 fermentation pathways 主要組成由
    • Glycolysis 和一些額外的 reactions 接在一起
      • 例如 yeast 的額外 reactions 會產生 alcohol
      • 而 muscle 的額外 reactions 會產生 lactic acid (乳酸)

但並不是所有的 fermentation 都是 anaerobically (non-aerobic) 來進行

  • 有的 bacteria, archaea 直接利用別的東西來取代在 ETC 尾巴的 oxygen
    • 例如使用 sulfate 作為 acceptor
    • 這種方法稱為 anaerobic cellular respiration

Fermentation​

  • Fermentation (Anaerobic pathway)
    • Non-oxygen-requiring pathway
    • 唯一有萃取 energy 的工作只有 glycolysis
  • 產生的 NADH 無法用正常的 ETC 程序消回原本的 NAD+
    • 所以接續的工作 (extra reactions) 主要目標是將 NADH 變回 NAD+
    • 讓 NADH 的 electrons 丟入一些 organic molecule (e.g., pyruvate)
    • 如此就可以確保足夠的 NAD+ 能繼續進行 glycolysis

Lactic acid fermentation​

  • NADH 直接將 electrons 傳給 pyruvate 就是 lactic acid fermentation
    • 會產生 lactate 作為 byproduct
      • Lactate 是 lactic acid 被 deprotonated 後的樣子
Lactic acid fermentation
Lactic acid fermentation
  • 常見的 lactic acid fermentation
    • Bacteria 產生 yogurt 時
    • Red blood cells (因為沒有 mitochondria)
    • Muscle cells (只在 oxygen 太少的情況)
      • lactic acid 會被 bloodstream 傳送回 liver
      • 變回 pyruvate 然後由 cellular respiration 正常使用

Alcohol fermentation​

  • NADH 會將 electrons 傳給 pyruvate 的衍生物，然後產生 ethanol (乙醇)
    • 是一個兩步驟的 process
    • 首先 pyruvate 的 carboxyl group 被提出釋放成 carbon dioxide
      • 產生 2 個 carbon 的 acetaldehyde (乙醛)
    • NADH 再將 electrons 丟給 acetaldehyde
      • 產生出 ethanol
      • NADH 就可以變回 NAD+
Alcohol fermentation
Alcohol fermentation
  • 由 yeast 主導 alcohol fermentation 產出的 ethanol 常見於 beer, wine
    • 但過多的 alcohol 對 yeast, human 都有害
    • 所以 yeast 的 ethanol tolerance 約在 5% 到 21%

Facultative and obligate anaerobes​

很多 Bacteria 和 archaea 可以分成兩大種類 : facultative anaerobes 和 obligate anaerobes

  • Facultative anaerobes (facultative: 兼性)
    • 可以切換 aerobic 和 anaerobic respiration
    • 只要根據 oxygen 的多寡就可以改變
      • Oxygen 足夠時就用 aerobic respiration 產生足夠的 ATP
      • Oxygen 不夠時還能用 anaerobic respiration 維持生命
  • Obligate anaerobes (obligate: 專性)
    • 必須只使用 anaerobic respiration 才能生存
    • Oxygen 甚至會殺掉這類型的微生物
      • 例如 clostridium bacteria
      • 還有目前也有許多種 multicellular 的深海生物被發現是 obligate anaerobes