Kuidas rakud hõivavad rakuhingamise abil vabanevat energiat?

Elusorganismid moodustavad energiaahela, milles taimed toodavad toitu, mida loomad ja muud organismid kasutavad energiaks. Peamine toidu tootmise protsess on fotosüntees taimedes ja peamine meetod toidu muundamiseks energiaks on rakuline hingamine.

TL; DR (liiga pikk; Ei lugenud)

Rakkude kasutatav energiat edastav molekul on ATP. Rakuhingamise protsess muudab molekuli ADP ATP-ks, kuhu energia salvestub. See toimub glükolüüsi kolmeastmelise protsessi, sidrunhappetsükli ja elektronide transpordiahela kaudu. Rakuhingamine lõhustab ja oksüdeerib glükoosi, moodustades ATP molekulid.

Fotosünteesi ajal püüavad taimed valguse energiat ja kasutavad seda taimerakkudes toimuvate keemiliste reaktsioonide käivitamiseks. Valgusenergia võimaldab taimedel ühendada õhus olevast süsinikdioksiidist koosnev süsinik vesiniku ja veest pärineva hapnikuga glükoos.

Sisse rakuhingamine, söövad sellised organismid nagu loomad glükoosi sisaldavat toitu ja jagavad glükoosi energiaks, süsinikdioksiidiks ja veeks. Süsinikdioksiid ja vesi väljutatakse organismist ja energia salvestatakse molekulis nimega

Elusorganismid on kas üherakulised prokarüootid või eukarüootid, mis võib olla ühe- või mitmerakuline. Peamine erinevus nende kahe vahel on see, et prokarüootidel on lihtne rakustruktuur, millel pole tuuma ega raku organelle. Eukarüootidel on alati a tuum ja keerukamad rakuprotsessid.

Mõlemat tüüpi üksikrakulised organismid saavad energia tootmiseks kasutada mitut meetodit ja paljud kasutavad ka rakuhingamist. Kõrgenenud taimed ja loomad on kõik eukarüoodid ja nad kasutavad rakuhingamist peaaegu eranditult. Taimed kasutavad fotosünteesi abil päikesest pärinevat energiat, kuid seejärel salvestavad suurema osa sellest energiast glükoosi kujul.

Nii taimed kui ka loomad kasutavad fotosünteesil saadud glükoosi energiaallikas.

Fotosüntees toodab glükoosi, kuid glükoos on vaid viis keemilise energia salvestamiseks ja rakud ei saa seda otseselt kasutada. Fotosünteesi üldprotsessi võib kokku võtta järgmise valemiga:

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

Taimed kasutavad muundamiseks fotosünteesi valgusenergia keemilisse energiasse ja nad salvestavad keemilise energia glükoosis Salvestatud energia kasutamiseks on vaja teist protsessi.

Rakuhingamine muudab glükoosis salvestatud keemilise energia keemiliseks energiaks, mis on salvestatud ATP molekulile. ATP-d kasutavad kõik rakud ainevahetuse ja tegevuse võimendamiseks. Lihasrakud kuuluvad nende rakkude hulka, mis kasutavad energia saamiseks glükoosi, kuid muundavad selle kõigepealt ATP-ks.

Rakuhingamise üldine keemiline reaktsioon on järgmine:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP molekulid

Rakud lagundavad glükoosi süsinikdioksiidiks ja veeks, tootes samal ajal energiat, mida nad ATP molekulidesse salvestavad. Seejärel kasutavad nad ATP energiat sellisteks tegevusteks nagu lihaste kokkutõmbumine. Rakulise hingamise täielik protsess on kolm etappi.

Glükoos on kuue süsinikuaatomiga süsivesik. Rakulise hingamisprotsessi esimese etapi ajal nimetatakse glükolüüs, jagab rakk glükoosimolekulid kaheks püruvaadi või kolme süsiniku molekuliks. Protsessi alustamiseks kulub energiat, nii et raku varudest kasutatakse kahte ATP molekuli.

Protsessi lõpus, kui kaks püruvaadi molekuli on loodud, vabaneb ja salvestatakse energia neljas ATP-molekulis. Glükolüüs kasutab kahte töödeldud glükoosimolekuli kohta kahte ATP molekuli. Puhaskasum on kaks ATP molekuli.

Glükolüüs algab raku tsütoplasmas, kuid raku hingamisprotsess toimub peamiselt mitokondrid. Rakud, mis kasutavad energia saamiseks glükoosi, hõlmavad peaaegu kõiki inimkeha rakke, välja arvatud kõrgelt spetsialiseerunud rakud, näiteks vererakud.

Mitokondrid on väikesed membraaniga seotud organellid ja need on ATP-d tootvad rakuvabrikud. Neil on sile välimine membraan ja tugevalt volditud sisemine membraan kus toimuvad rakulised hingamisreaktsioonid.

Reaktsioonid toimuvad kõigepealt mitokondrite sees, et toota sisemise membraani energiagradient. Järgnevad membraaniga seotud reaktsioonid annavad energiat, mida kasutatakse ATP molekulide loomiseks.

Glükolüüsil tekkinud püruvaat ei ole rakuhingamise lõppsaadus. Teine etapp töötleb kaks püruvaadi molekuli teiseks vaheaineks, mida nimetatakse atsetüül CoA. Atsetüül CoA siseneb sidrunhappetsükkel ja algsest glükoosimolekulist pärinevad süsinikuaatomid muudetakse täielikult CO-ks₂. The sidrunhape juur taaskasutatakse ja seob protsessi kordamiseks uue atsetüül CoA molekuliga.

Süsinikuaatomite oksüdeerumine tekitab veel kaks ATP molekuli ja muudab ensüümid NAD⁺ ja FAD to NADH ja FADH₂. Muundatud ensüüme kasutatakse rakuhingamise kolmandas ja viimases etapis, kus need toimivad elektronidoonorina elektronide transpordiahelas.

ATP molekulid haaravad osa toodetud energiast, kuid suurem osa keemilisest energiast jääb NADH molekulidesse. Sidrunhappe tsükli reaktsioonid toimuvad mitokondrite sees.

The elektronide transpordiahel (JNE) koosneb mitokondrite sisemembraanil paiknevate ühendite seeriast. See kasutab NADH ja FADH elektronid₂ ensüümid, mis on toodetud sidrunhappetsükli kaudu prootonite pumpamiseks läbi membraani.

Reaktsioonide ahelas on NADH ja FADH kõrge energiaga elektronid₂ edastatakse ETC ühendite seeria, kusjuures iga etapp viib madalama elektronenergia olekuni ja prootonid pumbatakse üle membraani.

ETC reaktsioonide lõpus aktsepteerivad hapniku molekulid elektrone ja moodustavad veemolekule. Algselt glükoosi molekuli lõhustamisel ja oksüdeerimisel saadud elektronenergia on muundatud a prootoni energiagradient mitokondrite sisemembraani.

Kuna prootonite sisemine membraan ei ole tasakaalus, kogevad prootonid jõudu, mis hajub tagasi mitokondrite sisemusse. Ensüüm, mida nimetatakse ATP süntaas on membraani sisse kinnitatud ja loob ava, võimaldades prootonitel tagasi liikuda üle membraani.

Kui prootonid läbivad ATP süntaasi ava, kasutab ensüüm prootonite energiat ATP molekulide loomiseks. Suurem osa rakuhingamisest saadavast energiast püütakse selles etapis kinni ja seda hoitakse 32 ATP-molekulis.

ATP on kompleksne orgaaniline kemikaal, millel on adeniinalus ja kolm fosfaatrühma. Energia salvestatakse sidemetes, mis hoiavad fosfaatrühmi. Kui rakk vajab energiat, purustab ta ühe fosfaatrühma sideme ja kasutab keemilist energiat uute sidemete loomiseks teistes raku ainetes. ATP molekul muutub adenosiindifosfaat või ADP.

Rakuhingamisel kasutatakse vabanenud energiat fosfaatrühma lisamiseks ADP-le. Fosfaatrühma lisamine haarab energiat glükolüüsist, sidrunhappetsüklist ja suurest energiast ETC-st. Saadud ATP molekule saab organism kasutada sellisteks tegevusteks nagu liikumine, toidu otsimine ja paljunemine.