Hvordan fanger celler energi frigivet ved cellulær respiration?

Levende organismer danner en energikæde, hvor planter producerer mad, som dyr og andre organismer bruger til energi. Den vigtigste proces, der producerer mad er fotosyntese i planter og den vigtigste metode til at omdanne maden til energi er cellulær respiration.

TL; DR (for lang; Læste ikke)

Det energioverførende molekyle anvendt af celler er ATP. Processen med cellulær respiration omdanner molekylet ADP til ATP, hvor energien lagres. Dette finder sted via den tretrins proces med glykolyse, citronsyrecyklus og elektrontransportkæde. Cellular respiration splittes og oxiderer glukose til dannelse af ATP-molekyler.

Under fotosyntese fanger planter lysenergi og bruger den til at drive kemiske reaktioner i plantecellerne. Lysenergien lader planter kombinere kulstof fra kuldioxid i luften med brint og ilt fra vand til dannelse glukose.

I cellulær respiration, organismer såsom dyr spiser mad indeholdende glukose og nedbryder glukosen i energi, kuldioxid og vand. Kuldioxid og vand udvises fra organismen, og energien lagres i et kaldet molekyle

Levende organismer er enten enkeltceller prokaryoter eller eukaryoter, som kan være encellede eller flercellede. Hovedforskellen mellem de to er, at prokaryoter har en simpel cellestruktur uden nogen kerne eller celleorganeller. Eukaryoter har altid en kerne og mere komplicerede celleprocesser.

Encelleorganismer af begge typer kan bruge flere metoder til at producere energi, og mange bruger også cellulær respiration. Avancerede planter og dyr er alle eukaryoter, og de bruger næsten udelukkende cellulær respiration. Planter bruger fotosyntese til at fange energi fra solen, men gemmer derefter det meste af den energi i form af glukose.

Både planter og dyr bruger glukosen produceret af fotosyntese som en energikilde.

Fotosyntese producerer glukose, men glukosen er bare en måde at lagre kemisk energi på og kan ikke bruges direkte af celler. Den samlede fotosyntese kan opsummeres i følgende formel:

6CO₂ + 12H₂O + lysenergi → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Planterne bruger fotosyntese til at konvertere lysenergi i kemisk energi, og de lagrer den kemiske energi i glukose. En anden proces er nødvendig for at gøre brug af den lagrede energi.

Cellular respiration konverterer den kemiske energi, der er lagret i glukose, til kemisk energi, der er lagret i ATP-molekylet. ATP bruges af alle celler til at drive deres stofskifte og deres aktiviteter. Muskelceller er blandt de slags celler, der bruger glukose til energi, men konverterer det først til ATP.

Den samlede kemiske reaktion for cellulær respiration er som følger:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP-molekyler

Cellerne nedbryder glukose i kuldioxid og vand, mens de producerer energi, som de lagrer i ATP-molekyler. De bruger derefter ATP-energien til aktiviteter som muskelkontraktion. Den komplette cellulære respirationsproces har tre faser.

Glukose er et kulhydrat med seks kulstofatomer. I løbet af den første fase af den cellulære respirationsproces kaldes glykolyse, bryder cellen glukosemolekylerne i to molekyler af pyruvat eller tre-kulstofmolekyler. For at få processen i gang tager det energi, så der bruges to ATP-molekyler fra cellens reserver.

I slutningen af ​​processen, når de to pyruvatmolekyler oprettes, frigives energi og lagres i fire ATP-molekyler. Glykolyse bruger to ATP-molekyler og producerer fire for hvert behandlede glukosemolekyle. Nettoforøgelsen er to ATP-molekyler.

Glykolyse starter i cellecytoplasmaet, men celleåndingsprocessen finder hovedsageligt sted i mitokondrier. De slags celler, der bruger glukose til energi, omfatter næsten alle celler i menneskekroppen med undtagelse af højt specialiserede celler såsom blodlegemer.

Mitokondrierne er små membranbundne organeller og er cellefabrikkerne, der producerer ATP. De har en glat ydre membran og en meget foldet indre membran hvor de cellulære respirationsreaktioner finder sted.

Reaktionerne finder først sted inde i mitokondrierne for at producere en energigradient på tværs af den indre membran. Efterfølgende reaktioner, der involverer membranen, producerer den energi, der bruges til at skabe ATP-molekyler.

Pyruvat produceret ved glykolyse er ikke det endelige produkt af cellulær respiration. Et andet trin behandler de to pyruvatmolekyler til et andet mellemliggende stof kaldet acetyl CoA. Acetyl CoA kommer ind i citronsyrecyklus og carbonatomer fra det originale glucosemolekyle omdannes fuldstændigt til CO₂. Det Citronsyre rod genbruges og linkes til et nyt acetyl CoA-molekyle for at gentage processen.

Oxidationen af ​​carbonatomer producerer yderligere to ATP-molekyler og omdanner enzymerne NAD⁺ og FAD til NADH og FADH₂. De konverterede enzymer anvendes i tredje og sidste trin af cellulær respiration, hvor de fungerer som elektrondonorer til elektrontransportkæden.

ATP-molekylerne fanger noget af den producerede energi, men det meste af den kemiske energi forbliver i NADH-molekylerne. Citronsyrecyklusreaktionerne finder sted inde i mitokondrierne.

Det elektrontransportkæde (ETC) består af en række forbindelser placeret på mitokondriernes indre membran. Det bruger elektroner fra NADH og FADH₂ enzymer produceret af citronsyrecyklussen for at pumpe protoner over membranen.

I en kæde af reaktioner, de høje energi elektroner fra NADH og FADH₂ overføres i serien af ​​ETC-forbindelser, hvor hvert trin fører til en lavere elektronenergitilstand, og protoner pumpes over membranen.

I slutningen af ​​ETC-reaktionerne accepterer iltmolekyler elektronerne og danner vandmolekyler. Elektronenergien, der oprindeligt stammer fra opdelingen og oxidationen af ​​glukosemolekylet, er blevet omdannet til en proton energi gradient på tværs af mitokondriernes indre membran.

Fordi der er en ubalance mellem protoner over den indre membran, oplever protonerne en kraft til at diffundere tilbage ind i mitokondriernes indre. Et enzym kaldet ATP-syntase er indlejret i membranen og skaber en åbning, så protonerne kan bevæge sig tilbage over membranen.

Når protonerne passerer gennem ATP-syntaseåbningen, bruger enzymet energien fra protonerne til at skabe ATP-molekyler. Hovedparten af ​​energien fra cellulær respiration fanges på dette trin og lagres i 32 ATP-molekyler.

ATP er et komplekst organisk kemikalie med en adeninbase og tre fosfatgrupper. Energi lagres i de bindinger, der indeholder fosfatgrupperne. Når en celle har brug for energi, bryder den en af ​​fosfatgruppernes binding og bruger den kemiske energi til at skabe nye bindinger i andre cellestoffer. ATP-molekylet bliver adenosindiphosphat eller ADP.

I cellulær respiration bruges den frigjorte energi til at tilføje en fosfatgruppe til ADP. Tilsætningen af ​​fosfatgruppen fanger energien fra glykolyse, citronsyrecyklussen og den store mængde energi fra ETC. De resulterende ATP-molekyler kan bruges af organismen til aktiviteter såsom bevægelse, på udkig efter mad og reproduktion.