Hvad er funktionen af ​​aerob respiration?

Aerob respiration, et udtryk, der ofte bruges ombytteligt med "cellulær respiration", er en fantastisk måde at levere levende ting på ekstraher energi lagret i de kemiske bindinger af kulstofforbindelser i nærvær af ilt, og læg denne ekstraherede energi til brug i metabolisk processer. Eukaryote organismer (dvs. dyr, planter og svampe) bruger alle aerob respiration takket være tilstedeværelsen af ​​cellulære organeller kaldet mitokondrier. Et par prokaryote organismer (dvs. bakterier) gør brug af mere rudimentære aerobe respirationsveje, men generelt, når du ser "aerob respiration", skal du tænke "multicellular eukaryotic organisme. "

Men det er ikke alt, der skal springe ind i dit sind. Det følgende fortæller dig alt hvad du behøver at vide om de grundlæggende kemiske veje for aerob respiration, hvorfor det er sådan et væsentligt sæt reaktioner, og hvordan det hele kom i gang i løbet af biologisk og geologisk historie.

Al cellulær næringsstofskifte begynder med glukosemolekyler. Dette seks-kulstof sukker kan stamme fra fødevarer i alle tre makronæringsstoffer klasser (kulhydrater, proteiner og fedt), selvom glukose i sig selv er et simpelt kulhydrat. I nærvær af ilt omdannes glukose og nedbrydes i en kæde på ca. 20 reaktioner for at producere kuldioxid, vand, varme, og 36 eller 38 molekyler af adenosintrifosfat (ATP), molekylet, der oftest bruges af celler i alle levende ting som en direkte kilde til brændstof. Variationen i mængden af ​​ATP produceret ved aerob respiration afspejler det faktum, at planter celler undertiden presse 38 ATP fra et glukosemolekyle, mens dyreceller genererer 36 ATP pr. glukose molekyle. Denne ATP kommer fra at kombinere frie phosphatmolekyler (P) og adenosindiphosphat (ADP) med næsten alle dette sker i de sidste trin af aerob respiration i reaktionerne ved elektrontransporten kæde.

Den komplette kemiske reaktion, der beskriver aerob respiration, er:

C₆H₁₂O₆ + 36 (eller 38) ADP + 36 (eller 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 kcal + 36 (eller 38) ATP.

Mens selve reaktionen ser ud til at være lige nok i denne form, afviser den de mange trin, det tager for at komme fra venstre side af ligningen (reaktanterne) til højre side (produkterne inklusive 420 kilokalorier frigivet varme). Efter konvention er hele samlingen af ​​reaktioner opdelt i tre dele baseret på hvor hver forekommer: glykolyse (cytoplasma), Krebs-cyklussen (mitokondrie matrix) og elektrontransportkæden (indre mitokondrie) membran). Inden man udforsker disse processer i detaljer, er det imidlertid i orden at se på, hvordan aerob respiration fik sin start på Jorden.

Funktionen af ​​aerob respiration er at levere brændstof til reparation, vækst og vedligeholdelse af celler og væv. Dette er en noget formel måde at bemærke, at aerob respiration holder eukaryote organismer i live. Du kunne gå mange dage uden mad og i det mindste et par uden vand i de fleste tilfælde, men kun et par minutter uden ilt.

Oxygen (O) findes i normal luft i sin diatomiske form, O₂. Dette element blev på en eller anden måde opdaget i 1600'erne, da det blev tydeligt for forskere, at luft indeholdt et element afgørende for dyrenes overlevelse, en der kunne nedbrydes i et lukket miljø ved flamme eller på længere sigt ved vejrtrækning.

Ilt udgør ca. en femtedel af blandingen af ​​gasser, du indånder. Men det var ikke altid sådan i planetens 4,5 milliarder år og ændringen i mængden af ​​ilt i jordens atmosfære over tid har haft forudsigeligt dybtgående virkninger på biologisk udvikling. I den første halvdel af planetens nuværende levetid var der ingen ilt i luften. For 1,7 milliarder år siden bestod atmosfæren af ​​4 procent ilt, og der opstod encellede organismer. For 0,7 milliarder år siden, O₂ udgjorde mellem 10 og 20 procent af luften, og der var opstået større multicellulære organismer. For 300 millioner år siden var iltindholdet steget til 35 procent af luften, og tilsvarende var dinosaurer og andre meget store dyr normen. Senere blev luftens andel af O₂ faldt til 15 procent, indtil den igen steg til, hvor den er i dag.

Det er klart ved at spore dette mønster alene, hvilket synes ekstremt videnskabeligt sandsynligt, at iltens ultimative funktion er at få dyrene til at vokse store.

De 10 reaktioner af glykolyse kræver ikke i sig selv ilt for at fortsætte, og glykolyse forekommer til en vis grad i alle levende ting, både prokaryotiske og eukaryotiske. Men glykolyse er en nødvendig forløber for de specifikke aerobe reaktioner ved cellulær respiration, og den beskrives normalt sammen med disse.

Når glukose, et seks-kulstofmolekyle med en sekskantet ringstruktur, kommer ind i en celles cytoplasma, fosforyleres det straks, hvilket betyder, at det har en fosfatgruppe bundet til et af dets kulstof. Dette fælder effektivt glukosemolekylet inde i cellen ved at give det en negativ negativ ladning. Molekylet arrangeres derefter i phosphoryleret fruktose uden tab eller forstærkning af atomer, før endnu et fosfat tilsættes til molekylet. Dette destabiliserer molekylet, som derefter fragmenteres i et par tre-carbonforbindelser, hver af dem med sit eget fosfat bundet. En af disse transformeres til den anden, og derefter, i en række trin, giver de to tre-carbonmolekyler deres phosphater til molekyler af ADP (adenosindiphosphat) for at give 2 ATP. Det oprindelige seks-kulstof-glukosemolekyle vinder op som to molekyler i et tre-kulstofmolekyle kaldet pyruvat, og derudover genereres to NADH-molekyler (diskuteret i detaljer senere).

Pyruvat bevæger sig i nærværelse af ilt ind i matrixen (tænk "midten") af cellulære organeller kaldet mitokondrier og omdannes til en to-carbonforbindelse, kaldet acetylcoenzym A (acetyl CoA). I processen blev et molekyle af kuldioxid (CO₂). I processen, et molekyle af NAD⁺ (en såkaldt højenergi-elektronbærer) konverteres til NADH.

Krebs-cyklussen, også kaldet citronsyrecyklus eller tricarboxylsyrecyklus, kaldes en cyklus snarere end en reaktion fordi et af dets produkter, det fire-kulstofmolekyle oxaloacetat, genindtræder i starten af ​​cyklussen ved at kombinere med et molekyle af acetyl CoA. Dette resulterer i et seks-kulstofmolekyle kaldet citrat. Dette molekyle manipuleres af en række enzymer til en fem-carbonforbindelse kaldet alfa-ketoglutarat, som derefter mister et andet carbon for at give succinat. Hver gang et kulstof går tabt, er det i form af CO₂og fordi disse reaktioner er energisk gunstige, ledsages hvert kuldioxidtab af omdannelsen af ​​en anden NAD⁺ til NAD. Dannelsen af ​​succinat skaber også et ATP-molekyle.

Succinat omdannes til fumarat og genererer et molekyle FADH₂ fra FAD²⁺ (en elektronbærer svarende til NAD⁺ i funktion). Dette omdannes til malat, hvilket giver en anden NADH, som derefter omdannes til oxaloacetat.

Hvis du holder score, kan du tælle 3 NADH, 1 FADH₂ og 1 ATP pr. omdrejning af Krebs-cyklussen. Men husk at hvert glukosemolekyle leverer to molekyler acetyl CoA til indtræden i cyklussen, så det samlede antal af disse syntetiserede molekyler er 6 NADH, 2 FADH₂ og 2 ATP. Krebs-cyklussen genererer således ikke meget energi direkte - kun 2 ATP pr. Molekyle glukose leveret opstrøms - og der er heller ikke behov for ilt. Men NADH og FADH₂ er kritiske for oxidativ fosforylering trin i den næste række reaktioner, samlet kaldet elektrontransportkæden.

De forskellige molekyler af NADH og FADH₂ skabt i de foregående trin af cellulær respiration er klar til at blive brugt i elektrontransportkæden, som forekommer i folder af den indre mitokondrie membran kaldet cristae. Kort sagt, de højenergi-elektroner, der er knyttet til NAD⁺ og FAD²⁺ bruges til at skabe en protongradient på tværs af membranen. Dette betyder bare, at der er en højere koncentration af protoner (H.⁺ ioner) på den ene side af membranen end på den anden side, hvilket skaber en drivkraft for disse ioner til at strømme fra områder med højere protonkoncentration til områder med lavere protonkoncentration. På denne måde opfører protoner sig lidt anderledes end f.eks. Vand, der "ønsker" at bevæge sig fra et område med højere højde til et område med lavere koncentration - her under indflydelse af tyngdekraften i stedet for den såkaldte kemiosmotiske gradient observeret i elektrontransporten kæde.

Som en turbine på et vandkraftanlæg, der udnytter strømmen af ​​strømmende vand for at udføre arbejde andetsteds (i så fald generere elektricitet), er en del af den energi, som protonen etablerer gradient over membranen fanges for at binde frie phosphatgrupper (P) til ADP-molekyler for at generere ATP, en proces kaldet phosphorylering (og i dette tilfælde oxidativ fosforylering). Faktisk sker dette igen og igen i elektrontransportkæden, indtil hele NADH og FADH₂ fra glykolyse og Krebs-cyklussen - ca. 10 af førstnævnte og to af sidstnævnte - anvendes. Dette resulterer i oprettelsen af ​​ca. 34 molekyler ATP pr. Glukosemolekyle. Da glykolyse og Krebs-cyklussen hver giver 2 ATP pr. Glukosemolekyle, er den samlede mængde, hvis frigivet energi, i det mindste under ideelle forhold, i alt 34 + 2 + 2 = 38 ATP.

Der er tre forskellige punkter i elektrontransportkæden, hvor protoner kan krydse den indre mitokondrie-membran for at komme ind i rummet mellem dette senere og den ydre mitokondrie membran og fire forskellige molekylære komplekser (nummereret I, II, III og IV), der danner de fysiske forankringspunkter i kæde.

Elektrontransportkæden kræver ilt, fordi O₂ fungerer som den sidste elektronpar-acceptor i kæden. Hvis der ikke er ilt til stede, ophører reaktionerne i kæden hurtigt, fordi "nedstrøms" strømmen af ​​elektroner ophører; de har ingen steder at gå. Blandt de stoffer, der kan lamme elektrontransportkæden, er cyanid (CN^-). Dette er grunden til, at du måske har set cyanid brugt som en dødelig gift i drabsprogrammer eller spionfilm; når det administreres i tilstrækkelige doser, stopper aerob respiration inden i modtageren og dermed selve livet.

Det antages ofte, at planter gennemgår fotosyntese for at skabe ilt fra kuldioxid, mens dyr bruger åndedræt for at generere kuldioxid fra ilt og derved hjælpe med at bevare et pænt økosystemdækkende, komplementært balance. Selvom dette er tilfældet på overfladen, er det vildledende, fordi planter bruger både fotosyntese og aerob respiration.

Fordi planter ikke kan spise, skal de fremstille deres mad i stedet for at indtage dem. Dette er, hvad fotosyntese, en række reaktioner, der finder sted i organeller, som dyr mangler kaldet kloroplaster, er beregnet til. Drevet af sollys, CO₂ inde i plantecellen samles i glukose inde i kloroplaster i en række trin, der ligner elektrontransportkæden i mitokondrier. Glucosen frigøres derefter fra chloroplasten; mest hvis det bliver en strukturel del af planten, men nogle gennemgår glykolyse og fortsætter derefter gennem resten af ​​aerob respiration efter at have trængt ind i plantecellens mitokondrier.