Jaká je funkce aerobního dýchání?

Aerobní dýchání, termín často zaměnitelný s „buněčným dýcháním“, je úžasně vysoce výnosný způsob, jak mohou živé věci extrahovat energii uloženou v chemických vazbách sloučenin uhlíku v přítomnosti kyslíku a využít tuto extrahovanou energii k využití v metabolismu procesy. Eukaryotické organismy (tj. Zvířata, rostliny a houby) využívají aerobní dýchání, zejména díky přítomnosti buněčných organel nazývaných mitochondrie. Několik prokaryotických organismů (tj. Bakterií) využívá více rudimentárních aerobních dýchacích cest, ale obecně, když uvidíte „aerobní dýchání“, měli byste si myslet „mnohobuněčný eukaryotický organismus."

Ale to není vše, co by vám mělo skočit do mysli. Následující text vám řekne vše, co potřebujete vědět o základních chemických cestách aerobního dýchání, proč tomu tak je takový základní soubor reakcí a jak to všechno začalo v průběhu biologických a geologických Dějiny.

Celý buněčný metabolismus živin začíná molekulami glukózy. Tento šestikarbonový cukr lze získat z potravin ve všech třech třídách makroživin (sacharidy, bílkoviny a tuky), ačkoli samotná glukóza je jednoduchý sacharid. V přítomnosti kyslíku se glukóza transformuje a rozkládá v řetězci asi 20 reakcí za vzniku oxidu uhličitého, vody, tepla, a 36 nebo 38 molekul adenosintrifosfátu (ATP), molekuly nejčastěji používané buňkami ve všech živých věcech jako přímý zdroj pohonné hmoty. Rozdíly v množství ATP produkovaného aerobním dýcháním odrážejí skutečnost, že rostliny jsou buňky někdy vytlačte 38 ATP z jedné molekuly glukózy, zatímco zvířecí buňky generují 36 ATP na glukózu molekula. Tento ATP pochází z kombinace volných molekul fosfátu (P) a adenosindifosfátu (ADP), s téměř všemi k tomu dochází v posledních fázích aerobního dýchání při reakcích transportu elektronů řetěz.

Kompletní chemická reakce popisující aerobní dýchání je:

C₆H₁₂Ó₆ + 36 (nebo 38) ADP + 36 (nebo 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6 hodin₂O + 420 kcal + 36 (nebo 38) ATP.

I když se reakce v této formě jeví jako dostatečně přímočará, je v rozporu s množstvím kroků, které je třeba k dosažení levá strana rovnice (reaktanty) na pravou stranu (produkty, včetně 420 kilokalorií uvolněného teplo). Podle konvence je celá kolekce reakcí rozdělena do tří částí podle toho, kde se každá z nich vyskytuje: glykolýza (cytoplazma), Krebsův cyklus (mitochondriální matice) a elektronový transportní řetězec (vnitřní mitochondriální membrána). Před podrobným prozkoumáním těchto procesů je však v pořádku pohled na to, jak se na Zemi začalo aerobní dýchání.

Funkce aerobního dýchání je dodávat palivo pro opravu, růst a údržbu buněk a tkání. Toto je poněkud formální způsob, jak poznamenat, že aerobní dýchání udržuje eukaryotické organismy naživu. Můžete vydržet mnoho dní bez jídla a alespoň několik bez vody, ale jen několik minut bez kyslíku.

Kyslík (O) se nachází v normálním vzduchu ve své diatomické formě, O₂. Tento prvek byl v jistém smyslu objeven v 16. století, kdy vědcům vyšlo najevo, že vzduch prvek obsahuje životně důležité pro přežití zvířat, zvířat, která by mohla být vyčerpána v uzavřeném prostředí plamenem nebo dlouhodobě dýchání.

Kyslík tvoří asi jednu pětinu směsi plynů, které dýcháte. Ale ne vždy to tak bylo ve 4,5 miliardy let staré historii planety a změně v množství kyslíku v zemské atmosféře v průběhu času mělo předvídatelně hluboké účinky na biologické vývoj. Během první poloviny současného života planety to bylo Ne kyslík ve vzduchu. Před 1,7 miliardami let se atmosféra skládala ze 4 procent kyslíku a objevily se jednobuněčné organismy. Před 0,7 miliardami let, O₂ tvořilo mezi 10 a 20 procenty vzduchu a objevily se větší mnohobuněčné organismy. Před 300 miliony let obsah kyslíku vzrostl na 35 procent vzduchu a odpovídajícím způsobem byly normou dinosaury a další velmi velká zvířata. Později podíl vzduchu v držení O₂ klesl na 15 procent, dokud se opět nezvýšil na současnou úroveň.

Již ze samotného sledování tohoto vzoru je zřejmé, že se zdá být mimořádně vědecky pravděpodobné, že konečnou funkcí kyslíku je zvětšovat zvířata.

10 reakcí glykolýzy samo o sobě nevyžaduje kyslík a ke glykolýze dochází do určité míry u všeho živého, prokaryotického i eukaryotického. Glykolýza je ale nezbytným předchůdcem specifických aerobních reakcí buněčného dýchání, a to je normálně popsáno spolu s nimi.

Jakmile glukóza, molekula se šesti uhlíky s hexagonální kruhovou strukturou, vstoupí do cytoplazmy buňky, je okamžitě fosforylována, což znamená, že má fosfátovou skupinu připojenou k jednomu ze svých uhlíků. To účinně zachycuje molekulu glukózy uvnitř buňky tím, že jí dává záporný náboj. Molekula je poté přeskupena na fosforylovanou fruktózu, aniž by došlo ke ztrátě nebo získání atomů, než se k molekule přidá ještě další fosfát. To destabilizuje molekulu, která pak fragmentuje na dvojici tří uhlíkových sloučenin, z nichž každá má připojený vlastní fosfát. Jeden z nich se transformuje na druhý a poté v sérii kroků se dvě molekuly se třemi uhlíky vzdají svých fosfátů molekulám ADP (adenosindifosfát), čímž se získá 2 ATP. Původní molekula glukózy se šesti uhlíky končí jako dvě molekuly molekuly se třemi uhlíky zvané pyruvát a navíc se generují dvě molekuly NADH (podrobněji popsáno dále).

Pyruvát se v přítomnosti kyslíku pohybuje do matrice (myslí se „uprostřed“) buněčných organel nazývá se mitochondrie a přeměňuje se na sloučeninu se dvěma uhlíky, nazývanou acetyl koenzym A (acetyl CoA). V tomto procesu je molekula oxidu uhličitého (CO₂). V tomto procesu je molekula NAD⁺ (tzv. vysokoenergetický elektronový nosič) se převádí na NADH.

Krebsův cyklus, nazývaný také cyklus kyseliny citronové nebo cyklus trikarboxylové kyseliny, se označuje spíše jako cyklus než jako reakce protože jeden z jejích produktů, čtyřuhlíková molekula oxaloacetát, znovu vstupuje na začátek cyklu kombinací s molekulou acetyl CoA. Výsledkem je molekula se šesti uhlíky zvaná citrát. Tato molekula je manipulována řadou enzymů na sloučeninu s pěti uhlíky zvanou alfa-ketoglutarát, která pak ztrácí další uhlík za vzniku sukcinátu. Pokaždé, když je uhlík ztracen, je ve formě CO₂, a protože jsou tyto reakce energeticky příznivé, je každá ztráta oxidu uhličitého doprovázena přeměnou jiného NAD⁺ do NAD. Tvorba sukcinátu také vytváří molekulu ATP.

Sukcinát se převede na fumarát a vytvoří jednu molekulu FADH₂ od FAD²⁺ (elektronový nosič podobný NAD⁺ ve funkci). Ten se převede na malát, čímž se získá další NADH, který se poté transformuje na oxaloacetát.

Pokud držíte skóre, můžete počítat 3 NADH, 1 FADH₂ a 1 ATP za kolo Krebsova cyklu. Mějte však na paměti, že každá molekula glukózy dodává dvě molekuly acetyl CoA pro vstup do cyklu, takže celkový počet syntetizovaných těchto molekul je 6 NADH, 2 FADH₂ a 2 ATP. Krebsův cyklus tedy negeneruje přímo mnoho energie - pouze 2 ATP na molekulu glukózy dodávané před - a není potřeba ani kyslík. Ale NADH a FADH₂ jsou pro oxidační fosforylace kroky v další sérii reakcí, souhrnně nazývaných elektronový transportní řetězec.

Různé molekuly NADH a FADH₂ vytvořené v předchozích krocích buněčného dýchání jsou připraveny k použití v elektronovém transportním řetězci, který se vyskytuje v záhybech vnitřní mitochondriální membrány zvané cristae. Stručně řečeno, vysokoenergetické elektrony připojené k NAD⁺ a FAD²⁺ se používají k vytvoření protonového gradientu přes membránu. To jen znamená, že existuje vyšší koncentrace protonů (H⁺ ionty) na jedné straně membrány než na druhé straně, což vytváří impuls pro tok těchto iontů z oblastí s vyšší koncentrací protonů do oblastí s nižší koncentrací protonů. Tímto způsobem se protony chovají trochu jinak než řekněme voda, která se „chce“ pohybovat z oblasti vyšší nadmořské výšky do oblasti nižší koncentrace - zde pod vlivem gravitace místo takzvaného chemiosmotického gradientu pozorovaného v transportu elektronů řetěz.

Jako turbína ve vodní elektrárně využívající energii tekoucí vody k práci jinde (v tom případě k výrobě elektřiny), část energie vytvořené protonem gradient přes membránu je zachycen k připojení volných fosfátových skupin (P) k molekulám ADP za vzniku ATP, což je proces zvaný fosforylace (a v tomto případě oxidační fosforylace). Ve skutečnosti se to děje znovu a znovu v řetězci přenosu elektronů, dokud všechny NADH a FADH₂ z glykolýzy a Krebsova cyklu - využívá se asi 10 prvních a dvou posledních. To má za následek vytvoření asi 34 molekul ATP na molekulu glukózy. Vzhledem k tomu, že glykolýza a Krebsův cyklus poskytují každý 2 ATP na molekulu glukózy, je celkové množství uvolněné energie, alespoň za ideálních podmínek, celkem 34 + 2 + 2 = 38 ATP.

V řetězci transportu elektronů existují tři různé body, ve kterých protony mohou procházet vnitřní mitochondriální membránou a vstupovat do prostoru mezi tímto později a vnější mitochondriální membrána a čtyři odlišné molekulární komplexy (očíslované I, II, III a IV), které tvoří fyzické kotevní body řetěz.

Řetězec transportu elektronů vyžaduje kyslík, protože O₂ slouží jako konečný akceptor elektronových párů v řetězci. Pokud není přítomen kyslík, reakce v řetězci rychle ustávají, protože „elektronický“ tok elektronů ustává; nemají kam jít. Mezi látky, které mohou paralyzovat elektronový transportní řetězec, patří kyanid (CN^-). To je důvod, proč jste možná viděli kyanid používaný jako smrtící jed v pořadech o vraždách nebo ve špionážních filmech; když je podáván v dostatečných dávkách, zastaví se aerobní dýchání u příjemce as ním i samotný život.

Často se předpokládá, že rostliny podstupují fotosyntézu, aby vytvořily kyslík z oxidu uhličitého, zatímco zvířata používají dýchání za účelem generování oxidu uhličitého z kyslíku, čímž pomáhá zachovat čistý doplňkový ekosystém v celém ekosystému Zůstatek. I když to na povrchu platí, je to zavádějící, protože rostliny využívají jak fotosyntézu, tak aerobní dýchání.

Protože rostliny nemohou jíst, musí si potravu spíše než přijímat. K tomu slouží fotosyntéza, řada reakcí, ke kterým dochází u organel, kterým zvířata chybí, nazývaných chloroplasty. Poháněno slunečním světlem, CO₂ uvnitř rostlinné buňky se shromáždí do glukózy uvnitř chloroplastů v sérii kroků, které se podobají elektronovému transportnímu řetězci v mitochondriích. Poté se z chloroplastu uvolní glukóza; většina, pokud se stane strukturní částí rostliny, ale některá podstoupí glykolýzu a poté po vstupu do mitochondrií rostlinných buněk postupuje zbytkem aerobního dýchání.