Buněčná respirace: definice, rovnice a kroky

Filozof Bertrand Russell řekl: „Každý živý tvor je jakýmsi imperialistickým usilujícím o co největší transformaci jeho prostředí do sebe. “Metafory stranou, buněčné dýchání je formální způsob, jakým nakonec žijí tento. Buněčné dýchání přijímá látky zachycené z vnějšího prostředí (zdroje vzduchu a uhlíku) a převádí je na energii pro budování více buněk a tkání a pro udržení života činnosti. Také vytváří odpadní produkty a vodu. To nelze zaměňovat s „dýcháním“ v každodenním smyslu, což obvykle znamená totéž jako „dýchání“. Dýchání je jak organismy získávají kyslík, ale to není totéž jako zpracování kyslíku a dýchání nemůže dodávat uhlík, který je také potřebný dýchání; o to se stará strava, alespoň u zvířat.

Buněčné dýchání se vyskytuje jak u rostlin, tak u zvířat, ale ne u prokaryot (např. Bakterií), které chybí mitochondrie a další organely, a proto nemohou využívat kyslík, což je omezuje na glykolýzu jako energii zdroj. Rostliny jsou možná častěji spojovány s fotosyntézou než s dýcháním, ale fotosyntéza je zdroj kyslíku pro dýchání rostlinných buněk a také zdroj kyslíku opouštějícího rostlinu, který může být použit zvířata. Konečným vedlejším produktem v obou případech je ATP nebo adenosintrifosfát, primární nosič chemické energie v živých věcech.

Buněčné dýchání, často nazývané aerobní dýchání, je úplné rozložení molekuly glukózy v přítomnosti kyslíku za vzniku oxidu uhličitého a vody:

C₆H₁₂Ó₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P -> 6CO₂ + 6 hodin₂O + 38 ATP + 420 kcal

Tato rovnice má oxidační složku (C₆H₁₂Ó₆ -> 6CO₂), v podstatě odstranění elektronů ve formě atomů vodíku. Má také redukční složku 6O₂ -> 6 hodin₂O, což je přidání elektronů ve formě vodíku.

Rovnice jako celek se překládá k tomu, že je energie zadržovaná v chemických vazbách reaktantů slouží k připojení adenosindifosfátu (ADP) k volným atomům fosforu (P) ke generování adenosintrifosfátu (ATP).

Proces jako celek zahrnuje několik kroků: Glykolýza probíhá v cytoplazmě, následovaná Krebsem cyklu a elektronový transportní řetězec v mitochondriální matrici a na mitochondriální membráně resp.

Prvním krokem při rozkladu glukózy u rostlin i zvířat je řada 10 reakcí známých jako glykolýza. Glukóza vstupuje do zvířecích buněk zvenčí prostřednictvím potravin, které se štěpí na molekuly glukózy které cirkulují v krvi a jsou přijímány tkáněmi, kde je nejvíce potřeba energie (včetně mozek). Rostliny naopak syntetizují glukózu z přijímání oxidu uhličitého zvenčí a pomocí fotosyntézy k přeměně CO₂ na glukózu. V tomto bodě, bez ohledu na to, jak se tam dostala, je každá molekula glukózy zavázána ke stejnému osudu.

Na počátku glykolýzy je molekula glukózy se šesti uhlíky fosforylována, aby ji zachytila ​​uvnitř buňky; fosfáty jsou negativně nabité, a proto se nemohou driftovat buněčnou membránou jako nepolární, nenabité molekuly někdy. Přidá se druhá molekula fosfátu, což činí molekulu nestabilní a brzy se štěpí na dvě neidentické sloučeniny se třemi uhlíky. Tito brzy předpokládají, že přišla chemická forma, a jsou přeskupeni v sérii kroků, které nakonec přinesou dvě molekuly pyruvát. Postupně se spotřebovávají dvě molekuly ATP (dodávají dva fosfáty přidané ke glukóze brzy) a čtyři jsou produkovány, dva každým procesem se třemi uhlíky, za vzniku sítě dvou molekul ATP na molekulu glukóza.

U bakterií je samotná glykolýza dostatečná pro energetické potřeby buňky - a tedy celého organismu. Ale u rostlin a zvířat to tak není a s pyruvátem konečný osud glukózy sotva začal. Je třeba poznamenat, že samotná glykolýza nevyžaduje kyslík, ale kyslík je obecně součástí diskuse o aerobním dýchání, a tedy o buněčném dýchání, protože je syntetizováno pyruvát.

Mezi nadšenci biologie je běžná mylná představa, že chloroplasty mají v rostlinách stejnou funkci jako mitochondrie u zvířat a že každý typ organismu má pouze jeden nebo druhý. Není tomu tak. Rostliny mají chloroplasty i mitochondrie, zatímco zvířata mají pouze mitochondrie. Rostliny používají jako generátory chloroplasty - používají malý zdroj uhlíku (CO₂) k vytvoření většího (glukózy). Živočišné buňky získávají svoji glukózu štěpením makromolekul, jako jsou sacharidy, bílkoviny a tuky, a proto nemusí vytvářet glukózu zevnitř. To se může v případě rostlin zdát zvláštní a neúčinné, ale u rostlin se vyvinula jedna vlastnost, kterou zvířata nemají: schopnost využívat sluneční světlo k přímému použití v metabolických funkcích. To umožňuje rostlinám doslova si vyrobit vlastní potravu.

Předpokládá se, že mitochondrie byly druhem volně stojících bakterií před mnoha stovkami milionů let, což je teorie podporovaná jejich pozoruhodnou strukturální podobnost s bakteriemi, stejně jako jejich metabolické stroje a přítomnost jejich vlastní DNA a organel nazývaných ribozomy. Eukaryoty poprvé vznikly před více než miliardou let, když se jedné buňce podařilo pohltit druhou (hypotéza endosymbiontu), což vedlo k uspořádání, které bylo velmi výhodné pro engulfer v tomto uspořádání z důvodu rozšířené výroby energie schopnosti. Mitochondrie se skládají z dvojité plazmatické membrány, jako samotné buňky; vnitřní membrána zahrnuje záhyby zvané cristae. Vnitřní část mitochondrií je známá jako matrix a je analogická s cytoplazmou celých buněk.

Chloroplasty, jako mitochondrie, mají vnější a vnitřní membrány a vlastní DNA. Uvnitř prostoru uzavřeného vnitřní membránou leží sortiment vzájemně propojených, vrstvených a tekutinou naplněných membránových vaků nazývaných tylakoidy. Každý „stoh“ tylakoidů tvoří granum (množné číslo: grana). Tekutina uvnitř vnitřní membrány, která obklopuje grana, se nazývá stroma.

Chloroplasty obsahují pigment zvaný chlorofyl, který rostlinám dodává zelené zbarvení a slouží jako sběrač slunečního světla pro fotosyntézu. Rovnice pro fotosyntézu je přesně opačná než rovnice buněčného dýchání, ale jednotlivé kroky, ze kterých se lze dostat oxid uhličitý na glukózu se v žádném případě nepodobá zpětným reakcím elektronového transportního řetězce, Krebsova cyklu a glykolýza.

V tomto procesu, nazývaném také cyklus trikarboxylové kyseliny (TCA) nebo cyklus kyseliny citronové, se molekuly pyruvátu nejprve převádějí na molekuly se dvěma uhlíky nazývané acetyl koenzym A (acetyl CoA). Tím se uvolní molekula CO₂. Molekuly acetyl CoA poté vstupují do mitochondriální matrice, kde se každá z nich spojuje s molekulou oxaloacetátu se čtyřmi uhlíky za vzniku kyseliny citronové. Pokud tedy pečlivě počítáte, výsledkem jedné molekuly glukózy jsou na začátku Krebsova cyklu dvě molekuly kyseliny citronové.

Kyselina citronová, molekula se šesti uhlíky, se přeskupí na isocitrát a poté se atom uhlíku odstraní za vzniku ketoglutarátu s CO₂ opuštění cyklu. Ketoglutarát je zase zbaven dalšího atomu uhlíku a vytváří další CO₂ a sukcinát a také tvoří molekulu ATP. Odtamtud se molekula sukcinátu čtyř uhlíku postupně transformuje na fumarát, malát a oxaloacetát. Tyto reakce ukazují, že vodíkové ionty jsou z těchto molekul odstraněny a přichyceny na vysokoenergetické elektronové nosiče NAD + a FAD + za vzniku NADH a FADH₂ respektive, což je v podstatě maskovaná „tvorba“ energie, jak brzy uvidíte. Na konci Krebsova cyklu dala původní molekula glukózy vznik 10 NADH a dvěma FADH₂ molekuly.

Reakce Krebsova cyklu produkují pouze dvě molekuly ATP na původní molekulu glukózy, jednu pro každé „otočení“ cyklu. To znamená, že kromě dvou ATP produkovaných v glykolýze jsou po Krebsově cyklu výsledkem celkem čtyři ATP. Skutečné výsledky aerobního dýchání se však v této fázi ještě musí rozvinout.

Řetězec transportu elektronů, který se vyskytuje na cristae vnitřní mitochondriální membrány, je prvním krokem buněčného dýchání, který se výslovně spoléhá na kyslík. NADH a FADH₂ vyrobené v Krebsově cyklu jsou nyní připraveny významným způsobem přispívat k uvolňování energie.

Způsob, jakým se to děje, spočívá v tom, že vodíkové ionty uložené na těchto molekulách nosičů elektronů (vodíkový iont může být) současné účely, považovány za elektronový pár, pokud jde o jeho příspěvek k této části dýchání) jsou zvyklí vytvořit chemiosmotický gradient. Možná jste slyšeli o koncentračním gradientu, ve kterém molekuly proudí z oblastí s vyšší koncentrací do oblasti s nižší koncentrací, jako kostka cukru rozpuštěná ve vodě a částice cukru se rozptýlí po celou dobu. V chemiosmotickém gradientu však elektrony z NADH a FADH₂ nakonec prochází proteiny zabudované v membráně a slouží jako systémy přenosu elektronů. Energie uvolněná v tomto procesu se používá k čerpání iontů vodíku přes membránu a vytvoření koncentračního gradientu přes ni. To vede k čistému toku atomů vodíku v jednom směru a tento tok se používá k napájení enzymu zvaného ATP syntáza, který vytváří ATP z ADP a P. Představte si elektronový transportní řetězec jako něco, co za vodní kolo staví velkou váhu vody, jejíž následné otáčení se používá k vytváření věcí.

Není to náhoda, je to stejný proces, jaký se používá v chloroplastech k podpoře syntézy glukózy. Zdrojem energie pro vytvoření gradientu přes chloroplastovou membránu v tomto případě není NADH a FADH₂, ale sluneční světlo. Následný tok vodíkových iontů ve směru nižší koncentrace iontů H + se používá k napájení syntézy větších molekul uhlíku z menších, počínaje CO₂ a končí C.₆H₁₂Ó₆.

Energie, která proudí z chemiosmotického gradientu, se používá nejen k produkci ATP, ale ik dalším životně důležitým buněčným procesům, jako je syntéza proteinů. Pokud je elektronový transportní řetězec přerušen (jako u prodloužené deprivace kyslíku), nelze tento protonový gradient udržet a produkce buněčné energie se zastaví, stejně jako vodní kolo přestane proudit, když voda kolem něj již nebude mít tlakový tok spád.

Protože se ukázalo, že každá molekula NADH experimentálně produkuje asi tři molekuly ATP a každý FADH₂ produkuje dvě molekuly ATP, celková energie uvolněná řetězovou reakcí elektronů je (s odkazem na předchozí část) 10krát 3 (pro NADH) plus 2krát 2 (pro FADH₂) celkem 34 ATP. Přidejte toto k 2 ATP z glykolýzy a 2 z Krebsova cyklu, a odtud pochází číslo 38 ATP v rovnici pro aerobní dýchání.