Zellatmung: Definition, Gleichung & Schritte

Der Philosoph Bertrand Russell sagte: „Jedes Lebewesen ist eine Art Imperialist, der versucht, so viel wie möglich zu verändern seiner Umgebung in sich selbst." Abgesehen von den Metaphern ist die Zellatmung die formale Art und Weise, wie Lebewesen letztendlich tun diese. Die Zellatmung nimmt Substanzen auf, die aus der äußeren Umgebung (Luft und Kohlenstoffquellen) aufgenommen werden und wandelt sie in Energie um, um mehr Zellen und Gewebe aufzubauen und lebenserhaltende Aktivitäten. Es erzeugt auch Abfallprodukte und Wasser. Dies ist nicht mit „Atmung“ im alltäglichen Sinne zu verwechseln, was in der Regel gleichbedeutend mit „Atmen“ ist. Atmen ist wie Organismen nehmen Sauerstoff auf, aber dies ist nicht dasselbe wie die Verarbeitung von Sauerstoff, und die Atmung kann den Kohlenstoff nicht liefern, der auch für die Verarbeitung benötigt wird Atmung; Die Ernährung sorgt dafür, zumindest bei Tieren.

Die Zellatmung kommt sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren vor, nicht jedoch bei Prokaryonten (z. B. Bakterien), denen es an Mitochondrien und andere Organellen und können daher Sauerstoff nicht nutzen, wodurch sie auf die Glykolyse als Energie beschränkt sind Quelle. Pflanzen werden vielleicht häufiger mit Photosynthese als mit Atmung in Verbindung gebracht, aber Photosynthese ist die Sauerstoffquelle für die Atmung der Pflanzenzellen sowie eine Sauerstoffquelle, die die Pflanze verlässt und von Tiere. Das letztendliche Nebenprodukt ist in beiden Fällen ATP oder Adenosintriphosphat, der primäre chemische Energieträger in Lebewesen.

Zellatmung, oft als aerobe Atmung bezeichnet, ist der vollständige Abbau des Glukosemoleküls in Gegenwart von Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser:

C₆H₁₂Ö₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P –> 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP + 420 Kcal

Diese Gleichung hat eine Oxidationskomponente (C₆H₁₂Ö₆ –> 6CO₂), im Wesentlichen eine Entfernung von Elektronen in Form von Wasserstoffatomen. Es hat auch eine Reduktionskomponente, 6O₂ –> 6H₂O, das ist die Addition von Elektronen in Form von Wasserstoff.

Die Gleichung als Ganzes bedeutet, dass die in den chemischen Bindungen der Reaktanten enthaltene Energie verwendet, um Adenosindiphosphat (ADP) mit freien Phosphoratomen (P) zu verbinden, um Adenosintriphosphat zu erzeugen (ATP).

Der gesamte Prozess umfasst mehrere Schritte: Die Glykolyse findet im Zytoplasma statt, gefolgt von der Krebs Zyklus und die Elektronentransportkette in der mitochondrialen Matrix und auf der mitochondrialen Membran beziehungsweise.

Der erste Schritt beim Abbau von Glukose bei Pflanzen und Tieren ist eine Reihe von 10 Reaktionen, die als Glykolyse bekannt sind. Glukose dringt von außen in tierische Zellen ein, über Lebensmittel, die in Glukosemoleküle aufgespalten werden die im Blut zirkulieren und von Geweben aufgenommen werden, in denen Energie am dringendsten benötigt wird (einschließlich der Gehirn). Pflanzen dagegen synthetisieren Glukose, indem sie Kohlendioxid von außen aufnehmen und das CO. durch Photosynthese umwandeln₂ zu Glukose. An diesem Punkt, egal wie es dorthin gelangt ist, ist jedes Glukosemolekül dem gleichen Schicksal unterworfen.

Zu Beginn der Glykolyse wird das aus sechs Kohlenstoffatomen bestehende Glukosemolekül phosphoryliert, um es in der Zelle einzuschließen; Phosphate sind negativ geladen und können daher nicht durch die Zellmembran wandern, wie dies manchmal bei unpolaren, ungeladenen Molekülen der Fall ist. Ein zweites Phosphatmolekül wird hinzugefügt, wodurch das Molekül instabil wird, und es wird bald in zwei nicht identische Drei-Kohlenstoff-Verbindungen gespalten. Diese nehmen bald die entstandene chemische Form an und werden in einer Reihe von Schritten neu geordnet, um schließlich zwei Moleküle zu ergeben Pyruvat. Unterwegs werden zwei Moleküle ATP verbraucht (sie liefern die beiden Phosphate, die der Glukose frühzeitig zugesetzt werden) und vier werden produziert, zwei durch jeden Drei-Kohlenstoff-Prozess, um ein Netz von zwei ATP-Molekülen pro Molekül. zu ergeben Glucose.

Bei Bakterien reicht allein die Glykolyse für den Energiebedarf der Zelle – und damit des gesamten Organismus. Bei Pflanzen und Tieren ist dies jedoch nicht der Fall, und mit Pyruvat hat das endgültige Schicksal der Glukose gerade erst begonnen. Es sollte beachtet werden, dass die Glykolyse selbst keinen Sauerstoff benötigt, Sauerstoff jedoch im Allgemeinen enthalten ist Diskussionen über die aerobe Atmung und damit die Zellatmung, da sie zur Synthese benötigt wird Pyruvat.

Ein weit verbreitetes Missverständnis unter Biologiebegeisterten ist, dass Chloroplasten in Pflanzen die gleiche Funktion erfüllen wie Mitochondrien bei Tieren, und dass jeder Organismus nur den einen oder den anderen hat. Das ist nicht so. Pflanzen haben sowohl Chloroplasten als auch Mitochondrien, während Tiere nur Mitochondrien haben. Pflanzen nutzen Chloroplasten als Generatoren – sie nutzen eine kleine Kohlenstoffquelle (CO₂), um einen größeren zu bauen (Glukose). Tierzellen erhalten ihre Glukose durch den Abbau von Makromolekülen wie Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten und müssen daher keine Glukose von innen herstellen. Dies mag im Fall von Pflanzen seltsam und ineffizient erscheinen, aber Pflanzen haben eine Eigenschaft entwickelt, die Tiere nicht haben: die Fähigkeit, Sonnenlicht für den direkten Gebrauch für Stoffwechselfunktionen zu nutzen. Dadurch können Pflanzen buchstäblich ihre eigene Nahrung herstellen.

Es wird angenommen, dass Mitochondrien vor vielen hundert Millionen Jahren eine Art freistehende Bakterien waren, eine Theorie, die von ihren bemerkenswerte strukturelle Ähnlichkeit mit Bakterien sowie deren Stoffwechselmaschinerie und das Vorhandensein eigener DNA und Organellen, genannt Ribosomen. Eukaryoten entstanden vor über einer Milliarde Jahren, als es einer Zelle gelang, eine andere zu verschlingen (Endosymbionten-Hypothese). Dies führte zu einer Anordnung, die für den Engulfer in dieser Anordnung aufgrund der erweiterten Energieerzeugung sehr vorteilhaft war Fähigkeiten. Mitochondrien bestehen wie die Zellen selbst aus einer doppelten Plasmamembran; die innere Membran enthält Falten, die Cristae genannt werden. Der innere Teil der Mitochondrien wird als Matrix bezeichnet und entspricht dem Zytoplasma ganzer Zellen.

Chloroplasten haben wie Mitochondrien äußere und innere Membranen und ihre eigene DNA. Innerhalb des von der inneren Membran umschlossenen Raums liegt eine Ansammlung von miteinander verbundenen, geschichteten und flüssigkeitsgefüllten Membranbeuteln, die als Thylakoide bezeichnet werden. Jeder "Stapel" von Thylakoiden bildet ein Granum (Plural: Grana). Die Flüssigkeit in der inneren Membran, die das Grana umgibt, wird Stroma genannt.

Chloroplasten enthalten ein Pigment namens Chlorophyll, das Pflanzen sowohl ihre grüne Farbe verleiht als auch als Sonnenkollektor für die Photosynthese dient. Die Gleichung für die Photosynthese ist genau umgekehrt wie für die Zellatmung, aber die einzelnen Schritte, um von Kohlendioxid zu Glucose ähneln in keiner Weise den Rückreaktionen der Elektronentransportkette, des Krebs-Zyklus und Glykolyse.

Bei diesem Prozess, auch Tricarbonsäure (TCA)-Zyklus oder Zitronensäure-Zyklus genannt, werden Pyruvatmoleküle zunächst in Zwei-Kohlenstoff-Moleküle namens Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) umgewandelt. Dabei wird ein CO .-Molekül freigesetzt₂. Acetyl-CoA-Moleküle dringen dann in die mitochondriale Matrix ein, wo sich jedes von ihnen mit einem Vier-Kohlenstoff-Oxalacetat-Molekül verbindet, um Zitronensäure zu bilden. Wenn Sie also sorgfältig kalkulieren, führt ein Molekül Glukose zu Beginn des Krebs-Zyklus zu zwei Molekülen Zitronensäure.

Zitronensäure, ein Molekül mit sechs Kohlenstoffatomen, wird in Isocitrat umgelagert, und dann wird ein Kohlenstoffatom entfernt, um Ketoglutarat mit einem CO. zu bilden₂ den Kreislauf verlassen. Ketoglutarat wiederum wird von einem weiteren Kohlenstoffatom befreit, wodurch ein weiteres CO. entsteht₂ und Succinat und bildet auch ein ATP-Molekül. Von dort wird das Vier-Kohlenstoff-Succinat-Molekül nacheinander in Fumarat, Malat und Oxalacetat umgewandelt. Bei diesen Reaktionen werden Wasserstoffionen aus diesen Molekülen entfernt und an die hochenergetischen Elektronenträger NAD+ und FAD+ angeheftet, um NADH und FADH. zu bilden₂ die im Wesentlichen eine verkleidete "Erschaffung" von Energie ist, wie Sie bald sehen werden. Am Ende des Krebs-Zyklus hat das ursprüngliche Glucosemolekül 10 NADH und 2 FADH. gebildet₂ Moleküle.

Die Reaktionen des Krebs-Zyklus produzieren nur zwei Moleküle ATP pro ursprünglichem Glukosemolekül, eines für jede "Umdrehung" des Zyklus. Das bedeutet, dass zusätzlich zu den zwei bei der Glykolyse produzierten ATP nach dem Krebs-Zyklus insgesamt vier ATP resultieren. Aber die wirklichen Ergebnisse der aeroben Atmung müssen sich in diesem Stadium noch entfalten.

Die Elektronentransportkette, die an den Cristae der inneren Mitochondrienmembran stattfindet, ist der erste Schritt der Zellatmung, der explizit auf Sauerstoff angewiesen ist. Die NADH und FADH₂ die im Krebs-Zyklus produziert werden, sind nun bereit, einen wesentlichen Beitrag zur Energiefreisetzung zu leisten.

Dies geschieht so, dass die auf diesen Elektronenträgermolekülen gespeicherten Wasserstoffionen (ein Wasserstoffion kann z vorliegenden Zwecken hinsichtlich seines Beitrags zu diesem Teil der Atmung als Elektronenpaar angesehen werden) werden verwendet, um ein... kreieren chemiosmotischer Gradient. Sie haben vielleicht schon von einem Konzentrationsgradienten gehört, bei dem Moleküle aus Regionen höherer Konzentration nach Bereiche geringerer Konzentration, wie ein Zuckerwürfel, der sich in Wasser auflöst und die Zuckerpartikel dispergieren während. In einem chemiosmotischen Gradienten hingegen sind die Elektronen von NADH und FADH₂ von Proteinen, die in die Membran eingebettet sind und als Elektronentransfersysteme dienen, weitergereicht. Die bei diesem Prozess freigesetzte Energie wird verwendet, um Wasserstoffionen durch die Membran zu pumpen und einen Konzentrationsgradienten darüber zu erzeugen. Dies führt zu einem Nettofluss von Wasserstoffatomen in eine Richtung, und dieser Fluss wird verwendet, um ein Enzym namens ATP-Synthase anzutreiben, das ATP aus ADP und P herstellt. Stellen Sie sich die Elektronentransportkette als etwas vor, das ein großes Wassergewicht hinter ein Wasserrad bringt, dessen anschließende Rotation zum Bauen von Dingen verwendet wird.

Dies ist nicht zufällig der gleiche Prozess, der in Chloroplasten verwendet wird, um die Glukosesynthese anzutreiben. Die Energiequelle zur Erzeugung eines Gradienten über die Chloroplastenmembran ist in diesem Fall nicht NADH und FADH₂, aber Sonnenlicht. Der anschließende Fluss von Wasserstoffionen in Richtung niedrigerer H+-Ionenkonzentration wird verwendet, um die Synthese größerer Kohlenstoffmoleküle aus kleineren anzutreiben, beginnend mit CO₂ und endet mit C₆H₁₂Ö₆.

Die Energie, die aus dem chemiosmotischen Gradienten fließt, wird verwendet, um nicht nur die ATP-Produktion, sondern auch andere lebenswichtige zelluläre Prozesse wie die Proteinsynthese anzutreiben. Wird die Elektronentransportkette unterbrochen (wie bei längerem Sauerstoffmangel), kann dieser Protonengradient nicht aufrechterhalten werden und Die zelluläre Energieproduktion stoppt, so wie ein Wasserrad aufhört zu fließen, wenn das Wasser um es herum keinen Druck mehr hat Gradient.

Da experimentell gezeigt wurde, dass jedes NADH-Molekül etwa drei Moleküle ATP produziert und jedes FADH₂ produziert zwei Moleküle ATP, die durch die Elektronentransport-Kettenreaktion freigesetzte Gesamtenergie beträgt (zurück auf den vorherigen Abschnitt) 10 mal 3 (für NADH) plus 2 mal 2 (für FADH₂) für insgesamt 34 ATP. Addieren Sie dies zu den 2 ATP aus der Glykolyse und den 2 aus dem Krebs-Zyklus, und hier kommt die 38 ATP-Zahl in der Gleichung für die aerobe Atmung her.