Клетъчно дишане: определение, уравнение и стъпки

Философът Бертран Ръсел каза: „Всяко живо същество е нещо като империалист, което се стреми да трансформира колкото е възможно повече от заобикалящата го среда в себе си. "Настрана метафорите, клетъчното дишане е формалният начин, по който в крайна сметка правят живите същества това. Клетъчното дишане приема вещества, уловени от външната среда (източници на въздух и въглерод) и ги превръща в енергия за изграждане на повече клетки и тъкани и за поддържане на живота дейности. Също така генерира отпадъчни продукти и вода. Това не бива да се бърка с „дишането“ в ежедневния смисъл, което обикновено означава същото като „дишането“. Дишането е как организмите придобиват кислород, но това не е същото като преработката на кислород и дишането не може да достави въглерод, също необходим дишане; диетата се грижи за това, поне при животните.

Клетъчното дишане се среща както при растенията, така и при животните, но не и при прокариотите (напр. Бактериите), които липсват митохондрии и други органели и по този начин не могат да използват кислород, ограничавайки ги до гликолиза като енергия източник. Растенията може би са по-често свързани с фотосинтезата, отколкото с дишането, но фотосинтезата е източник на кислород за дишане на растителните клетки, както и източник на кислород, който излиза от растението, който може да се използва от животни. Крайният страничен продукт и в двата случая е АТФ или аденозин трифосфат, основният химически енергиен носител в живите същества.

Клетъчното дишане, често наричано аеробно дишане, е пълното разграждане на молекулата на глюкозата в присъствието на кислород, за да се получи въглероден диоксид и вода:

° С₆З.₁₂О₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P -> 6CO₂ + 6Н₂O + 38 ATP + 420 Kcal

Това уравнение има окислителен компонент (C₆З.₁₂О₆ -> 6CO₂), по същество отстраняване на електрони под формата на водородни атоми. Също така има редукционен компонент, 6O₂ -> 6Н₂O, което е добавяне на електрони под формата на водород.

Това, което уравнението като цяло означава, е, че енергията, задържана в химическите връзки на реагентите, е използва се за свързване на аденозин дифосфат (ADP) със свободни фосфорни атоми (P) за генериране на аденозин трифосфат (ATP).

Процесът като цяло включва множество стъпки: Гликолизата се извършва в цитоплазмата, последвана от Кребс цикъл и електронната транспортна верига в митохондриалната матрица и върху митохондриалната мембрана съответно.

Първата стъпка в разграждането на глюкозата както при растенията, така и при животните е поредица от 10 реакции, известни като гликолиза. Глюкозата навлиза в животинските клетки отвън, чрез храни, които се разграждат до глюкозни молекули които циркулират в кръвта и се поемат от тъкани, където енергията е най-необходима (включително мозък). За разлика от това, растенията синтезират глюкоза от поглъщане на въглероден диоксид отвън и използване на фотосинтеза за превръщане на CO₂ до глюкоза. В този момент, независимо как е попаднал там, всяка молекула глюкоза е посветена на една и съща съдба.

В началото на гликолизата, шествъглеродната молекула глюкоза се фосфорилира, за да я хване в клетката; фосфатите са отрицателно заредени и следователно не могат да се носят през клетъчната мембрана като неполярни, незаредени молекули понякога могат. Добавя се втора фосфатна молекула, която прави молекулата нестабилна и скоро се разцепва на две неидентични три въглеродни съединения. Те скоро приемат дошла химическа форма и се пренареждат в поредица от стъпки, за да дадат в крайна сметка две молекули пируват. По пътя се консумират две молекули АТФ (те доставят двата фосфата, добавени към глюкозата рано) и се получават четири, по две чрез всеки тривъглероден процес, за да се получи мрежа от две молекули АТФ на молекула от глюкоза.

При бактериите само гликолизата е достатъчна за енергийните нужди на клетката - а оттам и на целия организъм. Но при растенията и животните това не е така, а с пирувата крайната съдба на глюкозата едва е започнала. Трябва да се отбележи, че самата гликолиза не изисква кислород, но кислородът обикновено е включен в дискусии за аеробно дишане и оттам клетъчно дишане, защото е необходимо да се синтезира пируват.

Често срещано погрешно схващане сред любителите на биологията е, че хлоропластите изпълняват същата функция в растенията, които митохондриите правят при животните, и че всеки тип организъм има само едното или другото. Това не е така. Растенията имат както хлоропласти, така и митохондрии, докато животните имат само митохондрии. Растенията използват хлоропласти като генератори - те използват малък източник на въглерод (CO₂) за изграждане на по-голяма (глюкоза). Клетките на животните получават своята глюкоза чрез разграждане на макромолекули като въглехидрати, протеини и мазнини и по този начин не е необходимо да създават глюкоза отвътре. Това може да изглежда странно и неефективно в случая на растения, но растенията са развили една особеност, която животните нямат: способността да използват слънчевата светлина за директна употреба в метаболитните функции. Това позволява на растенията буквално да си правят храна.

Смята се, че митохондриите са били вид свободно стоящи бактерии преди много стотици милиони години, теория, подкрепена от техните забележителна структурна прилика с бактериите, както и техния метаболитен механизъм и наличието на собствена ДНК и органели, наречени рибозоми. За първи път еукариотите се появяват преди повече от милиард години, когато една клетка успява да погълне друга (хипотезата за ендосимбионта), което води до споразумение, което е много полезно за поглъщателя в това споразумение поради разширеното производство на енергия възможности. Митохондриите се състоят от двойна плазмена мембрана, подобно на самите клетки; вътрешната мембрана включва гънки, наречени кристали. Вътрешната част на митохондриите е известна като матрица и е аналог на цитоплазмата на цели клетки.

Хлоропластите, подобно на митохондриите, имат външна и вътрешна мембрана и собствена ДНК. Вътре в пространството, затворено от вътрешна мембрана, се намира асортимент от взаимно свързани, напластени и пълни с течност мембранни торбички, наречени тилакоиди. Всеки "стек" от тилакоиди образува гранум (множествено число: grana). Течността във вътрешната мембрана, която заобикаля граната, се нарича строма.

Хлоропластите съдържат пигмент, наречен хлорофил, който едновременно придава на растенията зелено оцветяване и служи като колектор на слънчева светлина за фотосинтеза. Уравнението за фотосинтезата е точно обратното на това на клетъчното дишане, но отделните стъпки, от които трябва да се стигне въглеродният диоксид към глюкозата по никакъв начин не прилича на обратните реакции на електронната транспортна верига, цикъла на Кребс и гликолиза.

В този процес, наречен още цикъл на трикарбоксилната киселина (TCA) или цикъла на лимонената киселина, пируватните молекули първо се преобразуват в двувъглеродни молекули, наречени ацетил коензим А (ацетил КоА). Това освобождава молекула CO₂. След това молекулите на ацетил КоА влизат в митохондриалната матрица, където всяка от тях се комбинира с четиривъглеродна молекула оксалоацетат, за да образува лимонена киселина. По този начин, ако правите внимателно отчитане, една молекула глюкоза води до две молекули лимонена киселина в началото на цикъла на Кребс.

Лимонената киселина, молекула с шест въглерода, се пренарежда в изоцитрат и след това въглеродният атом се отделя, за да образува кетоглутарат, със CO₂ излизане от цикъла. Кетоглутаратът от своя страна се лишава от друг въглероден атом, генерирайки друг CO₂ и сукцинат и също така образува молекула на АТФ. Оттам, молекулата на четири въглерода сукцинат се трансформира последователно във фумарат, малат и оксалоацетат. Тези реакции виждат водородни йони, отстранени от тези молекули и залепени върху високоенергийни електронни носители NAD + и FAD +, за да образуват NADH и FADH₂ съответно, което по същество е маскирано енергийно „творение“, както скоро ще видите. В края на цикъла на Кребс първоначалната молекула на глюкозата е довела до 10 NADH и две FADH₂ молекули.

Реакциите на цикъла на Кребс произвеждат само две молекули АТФ на оригинална глюкозна молекула, по една за всеки „ход“ на цикъла. Това означава, че в допълнение към двата АТФ, произведени при гликолиза, след цикъла на Кребс резултатът е общо четири АТФ. Но истинските резултати от аеробното дишане тепърва ще се разкриват на този етап.

Електронната транспортна верига, която възниква върху кристалите на вътрешната митохондриална мембрана, е първата стъпка в клетъчното дишане, която изрично разчита на кислорода. NADH и FADH₂ произведени в цикъла на Кребс, сега са готови да допринесат за освобождаването на енергия по основен начин.

Начинът, по който това се случва, е, че водородните йони, съхранявани върху тези молекули на електронен носител (водородният йон може, например настоящите цели, да се разглеждат като електронна двойка по отношение на нейния принос в тази част на дишането) са свикнали създавам хемиосмотичен градиент. Може би сте чували за градиент на концентрация, при който молекулите текат от области с по-висока концентрация към области с по-ниска концентрация, като кубче захар, разтварящо се във вода и захарните частици се разпръскват през цялото време. В хемиосмотичен градиент обаче електроните от NADH и FADH₂ вятърът се предава от протеини, вградени в мембраната и служещи като системи за електронен трансфер. Освободената в този процес енергия се използва за изпомпване на водородни йони през мембраната и създаване на градиент на концентрация върху нея. Това води до нетен поток на водородни атоми в една посока и този поток се използва за захранване на ензим, наречен АТФ синтаза, който прави АТФ от АДФ и Р. Помислете за електронната транспортна верига като за нещо, което поставя голямо тегло вода зад водно колело, чието последващо въртене се използва за изграждане на нещата.

Това, не случайно, е същият процес, използван в хлоропластите за захранване на синтеза на глюкоза. Източникът на енергия за създаване на градиент през мембраната на хлоропласта в този случай не е NADH и FADH₂, но слънчева светлина. Последващият поток от водородни йони по посока на по-ниска концентрация на йони H + се използва за задвижване на синтеза на по-големи молекули въглерод от по-малки, започвайки с CO₂ и завършва с C₆З.₁₂О₆.

Енергията, която тече от хемиосмотичния градиент, се използва за задвижване не само на производството на АТФ, но и на други жизненоважни клетъчни процеси, като синтеза на протеини. Ако електронната транспортна верига бъде прекъсната (както при продължителна липса на кислород), този протонен градиент не може да се поддържа и производството на клетъчна енергия спира, точно както водното колело спира да тече, когато водата около него вече няма поток под налягане градиент.

Тъй като всяка молекула NADH експериментално е показала, че произвежда около три молекули АТФ и всяка FADH₂ произвежда две молекули АТФ, като общата енергия, освободена от електронно-транспортната верижна реакция, е (позовавайки се на предишния раздел) 10 пъти по 3 (за NADH) плюс 2 пъти по 2 (за FADH₂) за общо 34 ATP. Добавете това към 2 АТФ от гликолиза и 2 от цикъла на Кребс и оттук идва цифрата 38 АТФ в уравнението за аеробно дишане.