Was ist die Funktion der aeroben Atmung?

Aerobe Atmung, ein Begriff, der oft synonym mit "Zellatmung" verwendet wird, ist eine wunderbar ergiebige Methode für Lebewesen, um Extrahieren von Energie, die in den chemischen Bindungen von Kohlenstoffverbindungen in Gegenwart von Sauerstoff gespeichert ist, und setzen diese gewonnene Energie für den Stoffwechsel ein Prozesse. Eukaryotische Organismen (d. h. Tiere, Pflanzen und Pilze) nutzen alle die aerobe Atmung, hauptsächlich dank der Anwesenheit von Zellorganellen, die Mitochondrien genannt werden. Einige wenige prokaryontische Organismen (d. h. Bakterien) nutzen rudimentäre aerobe Atmungswege, aber im Allgemeinen, wenn Sie "aerobe Atmung" sehen, sollten Sie an "mehrzellige Eukaryoten" denken Organismus."

Aber das ist nicht alles, was Ihnen in den Sinn kommen sollte. Im Folgenden erfahren Sie alles, was Sie über die grundlegenden chemischen Stoffwechselwege der aeroben Atmung wissen müssen, warum dies so ist eine so wesentliche Reihe von Reaktionen und wie alles im Laufe der biologischen und geologischen Geschichte.

Der gesamte zelluläre Nährstoffstoffwechsel beginnt mit Glukosemolekülen. Dieser Zucker mit sechs Kohlenstoffatomen kann aus Lebensmitteln aller drei Makronährstoffklassen (Kohlenhydrate, Proteine ​​und Fette) gewonnen werden, obwohl Glukose selbst ein einfaches Kohlenhydrat ist. In Gegenwart von Sauerstoff wird Glucose in einer Kette von etwa 20 Reaktionen umgewandelt und abgebaut, um Kohlendioxid, Wasser, und 36 oder 38 Moleküle Adenosintriphosphat (ATP), das Molekül, das von Zellen aller Lebewesen am häufigsten als direkte Quelle von. verwendet wird Treibstoff. Die Variation der Menge an ATP, die durch aerobe Atmung produziert wird, spiegelt die Tatsache wider, dass Pflanzenzellen manchmal 38 ATP aus einem Glukosemolekül herauspressen, während tierische Zellen 36 ATP pro Glukose erzeugen Molekül. Dieses ATP stammt aus der Kombination von freien Phosphatmolekülen (P) und Adenosindiphosphat (ADP) mit fast allen dies geschieht in den letzten Stadien der aeroben Atmung bei den Reaktionen des Elektronentransports Kette.

Die vollständige chemische Reaktion, die die aerobe Atmung beschreibt, ist:

C₆H₁₂Ö₆ + 36 (oder 38) ADP + 36 (oder 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 kcal + 36 (oder 38) ATP.

Während die Reaktion selbst in dieser Form recht einfach erscheint, täuscht sie über die Vielzahl von Schritten hinweg, die erforderlich sind, um von der linke Seite der Gleichung (die Reaktanten) zur rechten Seite (die Produkte, einschließlich 420 Kilokalorien freigesetzter Hitze). Konventionell ist die gesamte Sammlung von Reaktionen in drei Teile unterteilt, je nachdem, wo jede Reaktion stattfindet: Glykolyse (Zytoplasma), der Krebs-Zyklus (mitochondriale Matrix) und die Elektronentransportkette (innere mitochondriale Membran). Bevor wir diese Prozesse im Detail untersuchen, ist jedoch ein Blick darauf angebracht, wie die aerobe Atmung auf der Erde begann.

Die Funktion der aeroben Atmung besteht darin, Treibstoff für die Reparatur, das Wachstum und die Erhaltung von Zellen und Geweben bereitzustellen. Dies ist eine etwas formale Art zu bemerken, dass aerobe Atmung eukaryontische Organismen am Leben erhält. Sie könnten in den meisten Fällen viele Tage ohne Nahrung und zumindest einige ohne Wasser auskommen, aber nur wenige Minuten ohne Sauerstoff.

Sauerstoff (O) kommt in normaler Luft in seiner zweiatomigen Form O. vor₂. Dieses Element wurde in gewissem Sinne im 17. Jahrhundert entdeckt, als Wissenschaftlern klar wurde, dass Luft ein Element enthält lebenswichtig für Tiere, die in einer geschlossenen Umgebung durch Flammen oder längerfristig durch Atmung.

Sauerstoff macht etwa ein Fünftel des Gasgemisches aus, das Sie einatmen. Aber das war in der 4,5-Milliarden-jährigen Geschichte des Planeten nicht immer so, und der Wandel der Sauerstoffmenge in der Erdatmosphäre im Laufe der Zeit vorhersehbar tiefgreifende Auswirkungen auf die biologische Evolution. In der ersten Hälfte der aktuellen Lebenszeit des Planeten gab es Nein Sauerstoff in der Luft. Vor 1,7 Milliarden Jahren bestand die Atmosphäre aus 4 Prozent Sauerstoff, und einzellige Organismen waren aufgetaucht. Vor 0,7 Milliarden Jahren war O₂ bestand zwischen 10 und 20 Prozent der Luft, und größere, vielzellige Organismen waren entstanden. Vor 300 Millionen Jahren war der Sauerstoffgehalt auf 35 Prozent der Luft angestiegen, dementsprechend waren Dinosaurier und andere sehr große Tiere die Regel. Später wurde der Luftanteil von O₂ auf 15 Prozent zurückgegangen, bis sie wieder auf den heutigen Stand angestiegen ist.

Allein durch die Verfolgung dieses Musters wird deutlich, dass es wissenschaftlich äußerst wahrscheinlich ist, dass die letztendliche Funktion von Sauerstoff darin besteht, Tiere groß zu machen.

Die 10 Reaktionen der Glykolyse benötigen selbst keinen Sauerstoff, um abzulaufen, und Glykolyse tritt in gewissem Maße in allen Lebewesen auf, sowohl prokaryotischen als auch eukaryotischen. Aber die Glykolyse ist eine notwendige Vorstufe für die spezifischen aeroben Reaktionen der Zellatmung und wird normalerweise zusammen mit diesen beschrieben.

Sobald Glukose, ein Molekül mit sechs Kohlenstoffatomen und hexagonaler Ringstruktur, in das Zytoplasma einer Zelle eindringt, wird es sofort phosphoryliert, was bedeutet, dass es eine Phosphatgruppe an einem seiner Kohlenstoffatome trägt. Dadurch wird das Glukosemolekül effektiv in der Zelle gefangen, indem es eine negative Nettoladung erhält. Das Molekül wird dann ohne Verlust oder Zunahme von Atomen in phosphorylierte Fructose umgelagert, bevor noch ein weiteres Phosphat zum Molekül hinzugefügt wird. Dies destabilisiert das Molekül, das dann in ein Paar von Drei-Kohlenstoff-Verbindungen zerfällt, von denen jede ihr eigenes Phosphat trägt. Eines davon wird in das andere umgewandelt, und dann geben die beiden Drei-Kohlenstoff-Moleküle in einer Reihe von Schritten ihre Phosphate an Moleküle von ADP (Adenosindiphosphat) ab, um 2 ATP zu ergeben. Das ursprüngliche 6-Kohlenstoff-Glukosemolekül endet als zwei Moleküle eines 3-Kohlenstoff-Moleküls namens Pyruvat, und zusätzlich werden zwei Moleküle NADH (später im Detail besprochen) erzeugt.

Pyruvat wandert in Gegenwart von Sauerstoff in die Matrix (denken Sie an "Mitte") der Zellorganellen genannt Mitochondrien und wird in eine Zwei-Kohlenstoff-Verbindung umgewandelt, genannt Acetyl-Coenzym A (Acetyl CoA). Dabei wird ein Molekül Kohlendioxid (CO₂). Dabei wird ein Molekül NAD⁺ (ein sogenannter hochenergetischer Elektronenträger) wird in NADH umgewandelt.

Der Krebs-Zyklus, auch Zitronensäure-Zyklus oder Tricarbonsäure-Zyklus genannt, wird eher als Zyklus denn als Reaktion bezeichnet weil eines seiner Produkte, das Vier-Kohlenstoff-Molekül Oxaloacetat, wieder in den Zyklusbeginn eintritt, indem es sich mit einem Molekül Acetyl-CoA. Dies führt zu einem 6-Kohlenstoff-Molekül namens Citrat. Dieses Molekül wird von einer Reihe von Enzymen zu einer fünf-Kohlenstoff-Verbindung namens Alpha-Ketoglutarat manipuliert, die dann einen weiteren Kohlenstoff verliert, um Succinat zu ergeben. Jedes Mal, wenn ein Kohlenstoff verloren geht, liegt er in Form von CO. vor₂, und da diese Reaktionen energetisch günstig sind, geht jeder Kohlendioxidverlust mit der Umwandlung eines weiteren NAD. einher⁺ zu NAD. Durch die Bildung von Succinat entsteht auch ein ATP-Molekül.

Succinat wird in Fumarat umgewandelt und erzeugt ein Molekül FADH₂ von FAD²⁺ (ein Elektronenträger ähnlich NAD⁺ in Funktion). Dieses wird in Malat umgewandelt, wodurch ein weiteres NADH entsteht, das dann in Oxalacetat umgewandelt wird.

Wenn Sie Punkte halten, können Sie 3 NADH, 1 FADHFA zählen₂ und 1 ATP pro Umdrehung des Krebs-Zyklus. Beachten Sie jedoch, dass jedes Glucosemolekül zwei Moleküle Acetyl-CoA für den Eintritt in den Zyklus liefert, sodass die Gesamtzahl dieser synthetisierten Moleküle 6 NADH, 2 FADH. beträgt₂ und 2 ATP. Der Krebs-Zyklus erzeugt also direkt nicht viel Energie – nur 2 ATP pro vorgeschaltetem Glukosemolekül – und es wird auch kein Sauerstoff benötigt. Aber die NADH und FADH₂ sind kritisch für die oxidative Phosphorylierung Schritte in der nächsten Reihe von Reaktionen, die zusammenfassend als Elektronentransportkette bezeichnet werden.

Die verschiedenen Moleküle von NADH und FADH₂ die in den vorangegangenen Schritten der Zellatmung erzeugt wurden, sind bereit, in der Elektronentransportkette verwendet zu werden, die in Falten der inneren mitochondrialen Membran, den Cristae, stattfindet. Kurz gesagt, die hochenergetischen Elektronen, die an NAD⁺ und FAD²⁺ verwendet, um einen Protonengradienten über die Membran zu erzeugen. Dies bedeutet nur, dass eine höhere Konzentration an Protonen (H⁺ Ionen) auf einer Seite der Membran als auf der anderen Seite, wodurch ein Anstoß für diese Ionen entsteht, von Bereichen höherer Protonenkonzentration in Bereiche niedrigerer Protonenkonzentration zu fließen. Auf diese Weise verhalten sich Protonen kaum anders als beispielsweise Wasser, das von einem höher gelegenen Gebiet in ein niedrigeres move Konzentration – hier unter dem Einfluss der Schwerkraft statt des beim Elektronentransport beobachteten sogenannten chemiosmotischen Gradienten Kette.

Wie eine Turbine in einem Wasserkraftwerk, die die Energie von fließendem Wasser nutzt, um an anderer Stelle Arbeit zu verrichten (in diesem Fall Strom zu erzeugen), wird ein Teil der Energie durch das Proton Gradient über die Membran wird eingefangen, um freie Phosphatgruppen (P) an ADP-Moleküle zu binden, um ATP zu erzeugen, ein Prozess, der als Phosphorylierung (und in diesem Fall oxidativ) bezeichnet wird Phosphorylierung). Tatsächlich passiert dies immer wieder in der Elektronentransportkette, bis alle NADH und FADH₂ aus der Glykolyse und dem Krebs-Zyklus – etwa 10 der ersteren und zwei der letzteren – werden genutzt. Dies führt zur Bildung von etwa 34 Molekülen ATP pro Glucosemolekül. Da Glykolyse und der Krebs-Zyklus jeweils 2 ATP pro Glucosemolekül liefern, beträgt die Gesamtmenge an freigesetzter Energie, zumindest unter idealen Bedingungen, insgesamt 34 + 2 + 2 = 38 ATP.

Es gibt drei verschiedene Punkte in der Elektronentransportkette, an denen Protonen die innere Mitochondrienmembran passieren können, um in den Zwischenraum zwischen diesen einzudringen später und der äußeren mitochondrialen Membran, und vier verschiedene Molekülkomplexe (nummeriert mit I, II, III und IV), die die physikalischen Ankerpunkte der Kette.

Die Elektronentransportkette benötigt Sauerstoff, weil O₂ dient als letzter Elektronenpaarakzeptor in der Kette. Wenn kein Sauerstoff vorhanden ist, hören die Reaktionen in der Kette schnell auf, weil der Elektronenfluss "stromabwärts" aufhört; sie haben nirgendwo hin. Zu den Substanzen, die die Elektronentransportkette lähmen können, gehört Cyanid (CN^-). Aus diesem Grund haben Sie vielleicht Zyanid als tödliches Gift in Mordserien oder Spionagefilmen gesehen. wenn es in ausreichenden Dosen verabreicht wird, stoppt die aerobe Atmung des Empfängers und damit das Leben selbst.

Es wird oft angenommen, dass Pflanzen Photosynthese betreiben, um Sauerstoff aus Kohlendioxid zu erzeugen, während Tiere Atmung, um aus Sauerstoff Kohlendioxid zu erzeugen und so dazu beizutragen, ein sauberes ökosystemweites, komplementäres. zu erhalten Balance. Obwohl dies oberflächlich betrachtet zutrifft, ist es irreführend, da Pflanzen sowohl Photosynthese als auch aerobe Atmung nutzen.

Da Pflanzen nicht essen können, müssen sie ihre Nahrung selbst herstellen, anstatt sie aufzunehmen. Dafür ist die Photosynthese gedacht, eine Reihe von Reaktionen, die in Organellen, die Tieren fehlen, sogenannten Chloroplasten, ablaufen. Angetrieben durch Sonnenlicht, CO₂ innerhalb der Pflanzenzelle wird in Chloroplasten in einer Reihe von Schritten zu Glukose zusammengesetzt, die der Elektronentransportkette in Mitochondrien ähneln. Die Glucose wird dann aus dem Chloroplasten freigesetzt; die meisten, wenn es ein struktureller Teil der Pflanze wird, aber einige durchlaufen eine Glykolyse und durchlaufen dann den Rest der aeroben Atmung, nachdem sie in die Mitochondrien der Pflanzenzelle eingetreten sind.