Cellular Respiration: Definition, ligning og trin

Filosofen Bertrand Russell sagde, "Enhver levende ting er en slags imperialist, der søger at transformere så meget som muligt af sit miljø i sig selv. ”Tilsides med metaforer er cellulær respiration den formelle måde, hvorpå levende ting i sidste ende gør det her. Cellular respiration tager stoffer fanget fra det ydre miljø (luft og kulstofkilder) og omdanner dem til energi til at opbygge flere celler og væv og til at udføre livsopretholdende aktiviteter. Det genererer også affaldsprodukter og vand. Dette må ikke forveksles med "åndedræt" i dagligdags forstand, hvilket normalt betyder det samme som "vejrtrækning". Åndedræt er hvordan organismer erhverver ilt, men det er ikke det samme som at behandle ilt, og vejrtrækning kan ikke levere det kulstof, der også er nødvendigt til respiration; kost tager sig af dette, i det mindste hos dyr.

Cellular respiration forekommer i både planter og dyr, men ikke i prokaryoter (fx bakterier), som mangler mitokondrier og andre organeller og kan således ikke bruge ilt, hvilket begrænser dem til glykolyse som en energi kilde. Planter er måske mere almindeligt forbundet med fotosyntese end med respiration, men fotosyntese er det iltkilde til vejrtrækning af planter samt en iltkilde, der kommer ud af planten, der kan bruges af dyr. Det ultimative biprodukt i begge tilfælde er ATP eller adenosintrifosfat, den primære kemiske energibærer i levende ting.

Cellular respiration, ofte kaldet aerob respiration, er den komplette nedbrydning af glukosemolekylet i nærvær af ilt for at give kuldioxid og vand:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P -> 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP + 420 Kcal

Denne ligning har en oxidationskomponent (C₆H₁₂O₆ -> 6CO₂), i det væsentlige en fjernelse af elektroner i form af hydrogenatomer. Det har også en reduktionskomponent, 6O₂ -> 6H₂O, som er tilsætningen af ​​elektroner i form af brint.

Hvad ligningen som helhed oversætter til er, at energien, der er indeholdt i reaktanternes kemiske bindinger, er bruges til at forbinde adenosindiphosphat (ADP) med frie fosforatomer (P) til dannelse af adenosintrifosfat (ATP).

Processen som helhed involverer flere trin: Glykolyse finder sted i cytoplasmaet efterfulgt af Krebs cyklussen og elektrontransportkæden i den mitokondrie matrix og på den mitokondrie membran henholdsvis.

Det første trin i nedbrydningen af ​​glukose i både planter og dyr er en række på 10 reaktioner kendt som glykolyse. Glukose kommer ind i dyreceller udefra via fødevarer, der opdeles i glukosemolekyler der cirkulerer i blodet og optages af væv, hvor der er mest brug for energi (inklusive hjerne). Planter derimod syntetiserer glukose fra at tage kuldioxid udefra og bruge fotosyntese til at omdanne CO₂ til glukose. På dette tidspunkt, uanset hvordan det kom dertil, er hvert glukosemolekyle forpligtet til den samme skæbne.

Tidligt i glykolyse phosphoryleres seks-carbon-glukosemolekylet for at fange det inde i cellen; fosfater er negativt ladede og kan derfor ikke glide gennem cellemembranen som ikke-polære, uladede molekyler nogle gange kan. Et andet phosphatmolekyle tilsættes, hvilket gør molekylet ustabilt, og det spaltes hurtigt i to ikke-identiske tre-carbonforbindelser. Disse antager hurtigt den kom kemiske form og bliver omarrangeret i en række trin for i sidste ende at give to molekyler af pyruvat. Undervejs forbruges to ATP-molekyler (de leverer de to fosfater tilsat glukose tidligt) og fire produceres, to ved hver tre-carbon-proces, hvilket giver et netto på to ATP-molekyler pr. molekyle glukose.

I bakterier er glykolyse alene tilstrækkelig til celle - og dermed hele organismerens - energibehov. Men i planter og dyr er sådan ikke tilfældet, og med pyruvat er glukosens ultimative skæbne næsten ikke begyndt. Det skal bemærkes, at glykolyse i sig selv ikke kræver ilt, men ilt er generelt inkluderet i diskussioner om aerob respiration og dermed cellulær respiration, fordi det er nødvendigt at syntetisere pyruvat.

En almindelig misforståelse blandt biologi-entusiaster er, at kloroplaster tjener den samme funktion i planter, som mitokondrier gør hos dyr, og at hver type organisme kun har den ene eller den anden. Dette er ikke sådan. Planter har både kloroplaster og mitokondrier, mens dyr kun har mitokondrier. Planter bruger kloroplaster som generatorer - de bruger en lille kulstofkilde (CO₂) for at bygge en større (glukose). Dyreceller får deres glukose ved at nedbryde makromolekyler som kulhydrater, proteiner og fedt og behøver således ikke at skabe glukose indefra. Dette kan virke underligt og ineffektivt i tilfælde af planter, men planter har udviklet en funktion, som dyr ikke har: evnen til at udnytte sollys til direkte brug i metaboliske funktioner. Dette giver planter mulighed for bogstaveligt talt at lave deres egen mad.

Mitokondrier antages at have været en slags fritstående bakterier for mange hundrede millioner år siden, en teori understøttet af deres bemærkelsesværdig strukturel lighed med bakterier såvel som deres metaboliske maskiner og tilstedeværelsen af ​​deres eget DNA og organeller kaldet ribosomer. Eukaryoter blev først til stede for over en milliard år siden, da en celle formåede at opsluge en anden (endosymbiont-hypotesen), hvilket førte til et arrangement, der var meget gavnligt for producenten i dette arrangement på grund af udvidet energiproduktion kapaciteter. Mitokondrier består af en dobbelt plasmamembran, som celler i sig selv; den indre membran inkluderer folder kaldet cristae. Den indre del af mitokondrier er kendt som matrixen og er analog med cytoplasmaet i hele celler.

Kloroplaster, som mitokondrier, har ydre og indre membraner og deres eget DNA. Inde i rummet lukket af en indre membran ligger et sortiment af sammenkoblede, lagdelte og væskefyldte membranposer kaldet thylakoids. Hver "stak" af thylakoids danner en granum (flertal: grana). Væsken i den indre membran, der omgiver grana kaldes stroma.

Kloroplaster indeholder et pigment kaldet klorofyl, der begge giver planterne deres grønne farve og tjener som solfanger til fotosyntese. Ligningen for fotosyntese er nøjagtigt det modsatte af cellulær respiration, men de enkelte trin at komme fra kuldioxid til glukose ligner på ingen måde de omvendte reaktioner i elektrontransportkæden, Krebs-cyklussen og glykolyse.

I denne proces, også kaldet tricarboxylsyre (TCA) cyklus eller citronsyrecyklus, omdannes pyruvatmolekyler først til to-carbonmolekyler kaldet acetylcoenzym A (acetyl CoA). Dette frigiver et molekyle af CO₂. Acetyl CoA-molekyler går derefter ind i mitokondrie-matrixen, hvor hver af dem kombineres med et fire-carbonmolekyle af oxaloacetat til dannelse af citronsyre. Således, hvis du foretager omhyggelig regnskab, resulterer et molekyle glukose i to molekyler citronsyre i begyndelsen af ​​Krebs-cyklussen.

Citronsyre, et seks-kulstofmolekyle, omarrangeres til isocitrat, og derefter fjernes et carbonatom til dannelse af ketoglutarat med en CO₂ afslutter cyklussen. Ketoglutarat fratages igen et andet kulstofatom, der genererer endnu et CO₂ og succinat og danner også et molekyle af ATP. Derefter omdannes firecarbon-succinatmolekylet sekventielt til fumarat, malat og oxaloacetat. Disse reaktioner ser hydrogenioner fjernet fra disse molekyler og klæbes fast på højenergi-elektronbærere NAD + og FAD + for at danne NADH og FADH₂ henholdsvis, hvilket i det væsentlige er energi "skabelse" i forklædning, som du snart vil se. Ved afslutningen af ​​Krebs-cyklussen har det originale glukosemolekyle givet anledning til 10 NADH og to FADH₂ molekyler.

Reaktionerne i Krebs-cyklussen producerer kun to molekyler ATP pr. Originalt glucosemolekyle, en for hver "drejning" af cyklussen. Dette betyder, at ud over de to ATP, der produceres i glykolyse, efter Krebs-cyklussen, er resultatet i alt fire ATP. Men de virkelige resultater af aerob respiration er endnu ikke udfoldet på dette stadium.

Elektrontransportkæden, der forekommer på krystaller i den indre mitokondriale membran, er det første trin i cellulær respiration, der udtrykkeligt er afhængig af ilt. NADH og FADH₂ produceret i Krebs-cyklussen er nu klar til at bidrage til frigivelse af energi på en større måde.

Den måde dette sker på er, at hydrogenionerne, der er lagret på disse elektronbærermolekyler (en hydrogenion kan f.eks nuværende formål, betragtes som et elektronpar med hensyn til dets bidrag til denne del af åndedræt) er vant til lave en kemiosmotisk gradient. Du har måske hørt om en koncentrationsgradient, hvor molekyler flyder fra regioner med højere koncentration til områder med lavere koncentration, som en sukkerterning, der opløses i vand, og sukkerpartiklerne spredes hele vejen igennem. I en kemiosmotisk gradient er imidlertid elektronerne fra NADH og FADH₂ ender med at blive ført sammen af ​​proteiner indlejret i membranen og fungerer som elektronoverførselssystemer. Den energi, der frigives ved denne proces, bruges til at pumpe brintioner gennem membranen og skabe en koncentrationsgradient over den. Dette fører til en nettostrøm af brintatomer i en retning, og denne strøm bruges til at drive et enzym kaldet ATP-syntase, som fremstiller ATP fra ADP og P. Tænk på elektrontransportkæden som noget, der lægger en stor vægt af vand bag et vandhjul, hvis efterfølgende rotation bruges til at bygge ting.

Dette er ikke tilfældigvis den samme proces, der anvendes i kloroplaster til at drive glucosesyntese. Energikilden til at skabe en gradient over kloroplastmembranen er i dette tilfælde ikke NADH og FADH₂, men sollys. Den efterfølgende strøm af hydrogenioner i retning af lavere H + ionkoncentration bruges til at drive syntesen af ​​større carbonmolekyler fra mindre startende med CO₂ og slutter med C₆H₁₂O₆.

Den energi, der strømmer fra den kemiosmotiske gradient, bruges til ikke kun ATP-produktion, men også andre vitale cellulære processer, såsom proteinsyntese. Hvis elektrontransportkæden afbrydes (som ved langvarig iltmangel), kan denne protongradient ikke opretholdes og produktion af cellulær energi stopper, ligesom et vandhjul holder op med at flyde, når vandet omkring det ikke længere har en trykstrøm gradient.

Fordi hvert NADH-molekyle er blevet vist eksperimentelt at producere omkring tre molekyler ATP og hver FADH₂ producerer to ATP-molekyler, den samlede energi frigivet ved elektrontransportkædereaktionen er (henviser tilbage til det foregående afsnit) 10 gange 3 (for NADH) plus 2 gange 2 (for FADH₂) i alt 34 ATP. Føj dette til 2 ATP fra glykolyse og 2 fra Krebs-cyklussen, og det er her 38 ATP-figuren i ligningen for aerob respiration kommer fra.