Каква е функцията на аеробното дишане?

Аеробното дишане, термин, който често се използва взаимозаменяемо с „клетъчно дишане“, е чудесно начин за добив на живи същества извлича енергията, съхранявана в химическите връзки на въглеродните съединения в присъствието на кислород, и използва тази извлечена енергия за използване в метаболизма процеси. Еукариотните организми (т.е. животни, растения и гъби) използват аеробно дишане, главно благодарение на наличието на клетъчни органели, наречени митохондрии. Няколко прокариотни организми (т.е. бактерии) използват по-елементарни аеробни дихателни пътища, но като цяло, когато видите "аеробно дишане", трябва да помислите "многоклетъчен еукариот организъм. "

Но това не е всичко, което трябва да скочи в съзнанието ви. Това, което следва, ви казва всичко, което трябва да знаете за основните химически пътища на аеробното дишане, защо е така такъв съществен набор от реакции и как всичко е започнало в хода на биологичните и геоложките история.

Целият клетъчен хранителен метаболизъм започва с молекули глюкоза. Тази шествъглеродна захар може да бъде получена от храни и в трите класа макроелементи (въглехидрати, протеини и мазнини), въпреки че самата глюкоза е обикновен въглехидрат. В присъствието на кислород глюкозата се трансформира и разгражда във верига от около 20 реакции, за да се получи въглероден диоксид, вода, топлина, и 36 или 38 молекули аденозин трифосфат (АТФ), молекулата най-често използвана от клетките във всички живи същества като пряк източник на гориво. Разликата в количеството АТФ, произведено от аеробно дишане, отразява факта, че растенията клетки понякога изстискват 38 ATP от една молекула глюкоза, докато животинските клетки генерират 36 ATP на глюкоза молекула. Този АТФ идва от комбинирането на свободни фосфатни молекули (P) и аденозин дифосфат (ADP), с почти всички от това се случва в най-късните етапи на аеробно дишане при реакциите на електронен транспорт верига.

Пълната химическа реакция, описваща аеробно дишане е:

° С₆З.₁₂О₆ + 36 (или 38) ADP + 36 (или 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6Н₂O + 420 kcal + 36 (или 38) ATP.

Въпреки че самата реакция изглежда достатъчно ясна в тази форма, тя опровергава множеството стъпки, необходими за извличане от лявата част на уравнението (реагентите) от дясната страна (продуктите, включително 420 килокалории освободени топлина). По споразумение цялата колекция от реакции е разделена на три части въз основа на това къде се появява всяка от тях: гликолиза (цитоплазма), цикъла на Кребс (митохондриална матрица) и електронната транспортна верига (вътрешна митохондрия) мембрана). Преди да проучим тези процеси в детайли обаче, погледнете как аеробното дишане е започнало на Земята.

Функцията на аеробното дишане е да доставя гориво за възстановяване, растеж и поддържане на клетките и тъканите. Това е донякъде формален начин да се отбележи, че аеробното дишане поддържа еукариотните организми живи. Бихте могли да останете много дни без храна и поне няколко без вода в повечето случаи, но само няколко минути без кислород.

Кислородът (O) се намира в нормалния въздух в неговата двуатомна форма, O₂. Този елемент е открит в известен смисъл през 1600 г., когато става ясно за учените, че въздухът съдържа елемент жизненоважно за оцеляването на животните, което може да бъде изчерпано в затворена среда от пламък или в дългосрочен план от дишане.

Кислородът представлява около една пета от сместа от газове, които вдишвате. Но не винаги е било така в 4,5-милиардната годишна история на планетата и промяната в Количеството кислород в земната атмосфера с течение на времето е имало предсказуемо дълбоки ефекти върху биологичните еволюция. През първата половина от настоящия живот на планетата имаше не кислород във въздуха. Преди 1,7 милиарда години атмосферата се състои от 4 процента кислород и се появяват едноклетъчни организми. Преди 0,7 милиарда години O₂ съставляват между 10 и 20 процента от въздуха и са се появили по-големи, многоклетъчни организми. Към 300 милиона години съдържанието на кислород се е повишило до 35 процента от въздуха и съответно динозаврите и други много големи животни са били норма. По-късно делът на въздуха, притежаван от O₂ спадна до 15 процента, докато отново се покачи до мястото, където е днес.

От проследяването само на този модел става ясно, че е изключително научно вероятно крайната функция на кислорода да накара животните да станат големи.

10-те реакции на гликолизата сами по себе си не изискват кислород да протече и гликолизата се проявява до известна степен във всички живи същества, както прокариотни, така и еукариотни. Но гликолизата е необходим предшественик за специфичните аеробни реакции на клетъчното дишане и обикновено се описва заедно с тях.

След като глюкозата, шествъглеродна молекула с хексагонална пръстенна структура, попадне в цитоплазмата на клетката, тя веднага се фосфорилира, което означава, че има фосфатна група, свързана с един от нейния въглерод. Това ефективно улавя молекулата на глюкозата вътре в клетката, като й дава нетен отрицателен заряд. След това молекулата се пренарежда във фосфорилирана фруктоза, без загуба или увеличаване на атомите, преди да се добави още един фосфат към молекулата. Това дестабилизира молекулата, която след това се фрагментира в двойка тривъглеродни съединения, всяко от тях със собствен фосфат. Единият от тях се трансформира в другия и след това, в поредица от стъпки, двете три въглеродни молекули предават своите фосфати на молекулите на ADP (аденозин дифосфат), за да дадат 2 ATP. Оригиналната шествъглеродна молекула на глюкозата завършва като две молекули на тривъглеродна молекула, наречена пируват, и освен това се генерират две молекули NADH (обсъдени подробно по-късно).

Пируватът, в присъствието на кислород, се премества в матрицата (мислете „средата“) на клетъчните органели наречен митохондрии и се превръща в двувъглеродно съединение, наречено ацетил коензим А (ацетил CoA). В процеса молекула въглероден диоксид (CO₂). В процеса молекула НАД⁺ (така наречения високоенергиен електронен носител) се превръща в NADH.

Цикълът на Кребс, наричан още цикъл на лимонена киселина или цикъл на трикарбоксилната киселина, се нарича по-скоро цикъл, отколкото реакция защото един от неговите продукти, молекулата с четири въглерода оксалоацетат, отново влиза в началото на цикъла, като се комбинира с молекула от ацетил КоА. Това води до молекула с шест въглерода, наречена цитрат. Тази молекула се манипулира от серия ензими в петвъглеродно съединение, наречено алфа-кетоглутарат, което след това губи друг въглерод, за да даде сукцинат. Всеки път, когато един въглерод се загуби, той е под формата на CO₂и тъй като тези реакции са енергийно благоприятни, всяка загуба на въглероден диоксид е придружена от превръщането на друга NAD⁺ към НАД. Образуването на сукцинат също създава молекула на АТФ.

Сукцинатът се превръща във фумарат, генерирайки една молекула FADH₂ от FAD²⁺ (електронен носител, подобен на NAD⁺ във функция). Това се превръща в малат, като се получава друг NADH, който след това се трансформира в оксалоацетат.

Ако държите резултат, можете да преброите 3 NADH, 1 FADH₂ и 1 АТФ на ход от цикъла на Кребс. Но имайте предвид, че всяка молекула глюкоза доставя две молекули ацетил КоА за влизане в цикъла, така че общият брой на тези синтезирани молекули е 6 NADH, 2 FADH₂ и 2 ATP. По този начин цикълът на Кребс не генерира много енергия директно - само 2 АТФ на молекула глюкоза, доставена нагоре по веригата - и не е необходим кислород. Но NADH и FADH₂ са критични за окислително фосфорилиране стъпки в следващата серия от реакции, наречени общо електронно-транспортната верига.

Различните молекули на NADH и FADH₂ създадени в предходните стъпки на клетъчното дишане, са готови да бъдат използвани в електронно-транспортната верига, която се появява в гънки на вътрешната митохондриална мембрана, наречена криста. Накратко, високоенергийните електрони, прикрепени към NAD⁺ и FAD²⁺ се използват за създаване на протонен градиент през мембраната. Това просто означава, че има по-висока концентрация на протони (H⁺ йони) от едната страна на мембраната, отколкото от другата страна, създавайки тласък на тези йони да текат от области с по-висока концентрация на протон в области с по-ниска концентрация на протон. По този начин протоните се държат малко по-различно от, да речем, водата, която „иска“ да се премести от зона с по-висока кота в зона с по-ниска концентрация - тук, под влиянието на гравитацията, вместо така наречения хемиосмотичен градиент, наблюдаван в електронния транспорт верига.

Подобно на турбина в водноелектрическа централа, използваща енергията на течащата вода, за да работи другаде (в този случай генерира електричество), част от енергията, установена от протона градиент през мембраната се улавя, за да прикачи свободни фосфатни групи (P) към молекулите на ADP, за да генерира ATP, процес, наречен фосфорилиране (и в този случай окислително фосфорилиране). Всъщност това се случва отново и отново в електронната транспортна верига, докато всички NADH и FADH₂ от гликолизата и се използва цикълът на Кребс - около 10 от първия и два от втория -. Това води до създаването на около 34 молекули АТФ на молекула глюкоза. Тъй като гликолизата и цикълът на Кребс дават по 2 АТФ на молекула глюкоза, общото количество, ако се отделя енергия, поне при идеални условия, е 34 + 2 + 2 = 38 АТФ като цяло.

Има три различни точки в електронната транспортна верига, в които протоните могат да преминат вътрешната митохондриална мембрана, за да влязат в пространството между тази по-късно и външната митохондриална мембрана и четири различни молекулни комплекса (номерирани I, II, III и IV), които образуват физическите опорни точки на верига.

Електронната транспортна верига изисква кислород, защото O₂ служи като краен акцептор на електронни двойки във веригата. Ако кислородът не присъства, реакциите във веригата бързо спират, защото "надолу" потокът от електрони спира; няма къде да отидат. Сред веществата, които могат да парализират електронно-транспортната верига, е цианидът (CN^-). Ето защо може да сте виждали цианид, използван като смъртоносна отрова в предавания за убийства или шпионски филми; когато се прилага в достатъчни дози, аеробното дишане в рамките на реципиента спира и заедно с това и самият живот.

Често се приема, че растенията се подлагат на фотосинтез, за ​​да създадат кислород от въглероден диоксид, докато животните използват дишане за генериране на въглероден диоксид от кислород, като по този начин спомага за запазването на чиста, допълваща се екосистема баланс. Въпреки че това е вярно на повърхността, това е подвеждащо, тъй като растенията използват както фотосинтеза, така и аеробно дишане.

Тъй като растенията не могат да се хранят, те трябва да правят, вместо да поглъщат храната си. За това е предназначена фотосинтезата, поредица от реакции, които протичат при органелите, наречени хлоропласти. Осъществено от слънчева светлина, CO₂ вътре в растителната клетка се сглобява в глюкоза вътре в хлоропласти в поредица от стъпки, които приличат на електронната транспортна верига в митохондриите. След това глюкозата се освобождава от хлоропласта; повечето, ако се превърне в структурна част на растението, но някои се подлагат на гликолиза и след това преминават през останалата част от аеробното дишане след навлизане в митохондриите на растителните клетки.