Mikä on aerobisen hengityksen tehtävä?

Aerobinen hengitys, termi, jota käytetään usein vaihdettavasti "soluhengityksen" kanssa, on hämmästyttävän korkean tuoton tapa eläville uuttaa energia, joka on varastoitu hiiliyhdisteiden kemiallisiin sidoksiin hapen läsnä ollessa, ja laittaa tämä uutettu energia aineenvaihduntaan prosessit. Eukaryoottiset organismit (eli eläimet, kasvit ja sienet) käyttävät kaikki aerobista hengitystä pääasiassa mitokondriiksi kutsuttujen soluorganelien läsnäolon ansiosta. Muutama prokaryoottinen organismi (eli bakteeri) käyttää alkeellisempia aerobisia hengitysreittejä, mutta yleensä, kun näet "aerobisen hengityksen", sinun pitäisi ajatella "monisoluinen eukaryoottinen organismi. "

Mutta se ei ole kaikki, mitä pitäisi hypätä mieleesi. Seuraava kertoo kaiken, mitä sinun tarvitsee tietää aerobisen hengityksen peruskemikaaleista, miksi se on niin olennainen joukko reaktioita ja kuinka kaikki alkoi biologisen ja geologisen prosessin aikana historia.

Kaikki solujen ravinteiden aineenvaihdunta alkaa glukoosimolekyyleistä. Tämä kuuden hiilen sokeri voidaan johtaa elintarvikkeisiin kaikissa kolmessa makroelementtiluokassa (hiilihydraatit, proteiinit ja rasvat), vaikka glukoosi itsessään on yksinkertainen hiilihydraatti. Hapen läsnä ollessa glukoosi muuttuu ja hajotetaan noin 20 reaktion ketjussa hiilidioksidin, veden, lämmön, ja 36 tai 38 molekyyliä adenosiinitrifosfaattia (ATP), molekyyli, jota solut käyttävät useimmiten kaikissa elävissä oloissa suorana polttoainetta. Aerobisella hengityksellä tuotetun ATP: n määrän vaihtelu heijastaa sitä, että kasvit soluivat joskus puristaa 38 ATP: tä yhdestä glukoosimolekyylistä, kun taas eläinsolut tuottavat 36 ATP: tä glukoosia kohti molekyyli. Tämä ATP tulee yhdistämällä vapaita fosfaattimolekyylejä (P) ja adenosiinidifosfaattia (ADP) lähes kaikkien tämä tapahtuu aerobisen hengityksen aivan jälkimmäisissä vaiheissa elektronikuljetuksen reaktioissa ketju.

Aerobista hengitystä kuvaava täydellinen kemiallinen reaktio on:

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

Vaikka reaktio itsessään näyttää riittävän suoraviivaiselta tässä muodossa, se väärentää monia vaiheita, jotka se tarvitsee päästäksesi yhtälön vasen puoli (reagenssit) oikealle puolelle (tuotteet, mukaan lukien 420 kilokaloria vapautuneita lämpö). Yleisesti koko reaktiokokoelma on jaettu kolmeen osaan sen mukaan, missä kukin tapahtuu: glykolyysi (sytoplasma), Krebs-sykli (mitokondrioiden matriisi) ja elektronien siirtoketju (sisäinen mitokondrio) kalvo). Ennen näiden prosessien yksityiskohtaista tutkimista on kuitenkin katsottava, kuinka aerobinen hengitys sai alkunsa maapallolla.

Aerobisen hengityksen tehtävänä on toimittaa polttoainetta solujen ja kudosten korjaamiseen, kasvuun ja ylläpitoon. Tämä on jonkin verran muodollinen tapa huomata, että aerobinen hengitys pitää eukaryoottiset organismit hengissä. Voisit mennä useita päiviä ilman ruokaa ja ainakin muutama ilman vettä, mutta vain muutaman minuutin ilman happea.

Happea (O) esiintyy normaalissa ilmassa diatomisessa muodossaan O₂. Tämä elementti löydettiin jossain mielessä 1600-luvulla, kun tutkijoille kävi ilmi, että ilma sisälsi elementin välttämätön eläinten selviytymisen kannalta, sellainen, joka voi kulua suljetussa ympäristössä liekillä tai pitkällä aikavälillä hengitys.

Happi on noin viidesosa hengittämäsi kaasuseoksesta. Mutta se ei aina ollut näin planeetan 4,5 miljardin vuoden historiassa ja muutoksessa hapen määrällä maapallon ilmakehässä on ajan myötä ollut ennustettavasti syvällisiä vaikutuksia biologisiin evoluutio. Ensimmäisen puoliskon planeetan nykyisestä elämästä se oli ei happea ilmassa. 1,7 miljardia vuotta sitten ilmakehässä oli 4 prosenttia happea, ja yksisoluisia organismeja oli ilmestynyt. 0,7 miljardia vuotta sitten, O₂ muodostivat 10–20 prosenttia ilmasta, ja suurempia monisoluisia organismeja oli syntynyt. Vuodesta 300 miljoonaa vuotta sitten happipitoisuus oli noussut 35 prosenttiin ilmasta, ja vastaavasti dinosaurukset ja muut erittäin suuret eläimet olivat normi. Myöhemmin O₂ laski 15 prosenttiin, kunnes nousi jälleen nykyiseen tilanteeseen.

Pelkästään tätä mallia seuraamalla on selvää, että näyttää tieteellisesti erittäin todennäköiseltä, että hapen perimmäisenä tehtävänä on saada eläimet kasvamaan suuriksi.

Glykolyysin 10 reaktiota eivät itsessään vaadi happea, ja glykolyysi tapahtuu jossain määrin kaikissa elävissä oloissa, sekä prokaryoottisissa että eukaryoottisissa. Mutta glykolyysi on välttämätön edeltäjä soluhengityksen spesifisille aerobisille reaktioille, ja sitä kuvataan normaalisti näiden kanssa.

Kun glukoosi, kuusihiilinen molekyyli, jolla on kuusikulmainen rengasrakenne, tulee solun sytoplasmaan, se fosforyloituu välittömästi, mikä tarkoittaa, että sillä on fosfaattiryhmä kiinnittynyt yhteen sen hiilestä. Tämä vangitsee glukoosimolekyylin tehokkaasti solun sisään antamalla sille negatiivisen nettovarauksen. Sitten molekyyli järjestetään uudelleen fosforyloiduksi fruktoosiksi ilman atomien häviämistä tai vahvistumista, ennen kuin molekyyliin lisätään vielä yksi fosfaatti. Tämä epävakaa molekyylin, joka sitten fragmentoituu kolmen hiiliyhdisteen pariksi, joista jokaisella on oma fosfaatti kiinni. Yksi näistä muunnetaan toisiksi, ja sitten vaiheiden sarjassa kaksi kolmen hiilen molekyyliä luovuttavat fosfaatit ADP-molekyyleille (adenosiinidifosfaatti), jolloin saadaan 2 ATP: tä. Alkuperäinen kuuden hiilen glukoosimolekyyli purkautuu kahtena molekyylinä kolmihiilimolekyylistä, jota kutsutaan pyruvaatiksi, ja lisäksi syntyy kaksi NADH-molekyyliä (joista keskustellaan yksityiskohtaisesti myöhemmin).

Pyruvaatti siirtyy hapen läsnä ollessa soluorganellien matriisiin (ajattele "keskellä") kutsutaan mitokondrioksi ja muuttuu kahden hiilen yhdisteeksi, jota kutsutaan asetyylikoentsyymiksi A (asetyyli CoA). Prosessissa muodostuu hiilidioksidimolekyyli (CO₂). Prosessissa NAD-molekyyli⁺ (ns. korkean energian elektronikantaja) muunnetaan NADH: ksi.

Krebsin sykliä, jota kutsutaan myös sitruunahapposykliksi tai trikarboksyylihapposykliksi, kutsutaan sykliksi eikä reaktioksi koska yksi sen tuotteista, nelihiilimolekyyli oksaloasetaatti, palaa uudelleen syklin alkuun yhdistämällä sen asetyyli CoA. Tuloksena on kuuden hiilen molekyyli, jota kutsutaan sitraatiksi. Entsyymisarja manipuloi tätä molekyyliä viiden hiilen yhdisteeksi, jota kutsutaan alfa-ketoglutaraatiksi, joka sitten menettää toisen hiilen tuottamaan sukkinaattia. Joka kerta, kun hiiltä menetetään, se on CO: n muodossa₂ja koska nämä reaktiot ovat energisesti suotuisia, jokaiseen hiilidioksidihäviöön liittyy toisen NAD: n muunnos⁺ NAD: lle. Sukkinaatin muodostuminen luo myös ATP-molekyylin.

Sukkinaatti muuttuu fumaraatiksi, jolloin muodostuu yksi FADH-molekyyli₂ FAD: lta²⁺ (elektronin kantaja, samanlainen kuin NAD⁺ toiminnassa). Tämä muuttuu malaatiksi, jolloin saadaan toinen NADH, joka sitten muunnetaan oksaloasetaatiksi.

Jos pidät pisteet, voit laskea 3 NADH, 1 FADH₂ ja 1 ATP Krebs-syklin kierrosta kohden. Mutta pidä mielessä, että kukin glukoosimolekyyli toimittaa kaksi asetyyli-CoA-molekyyliä sykliin pääsemiseksi, joten näiden syntetisoitujen molekyylien kokonaismäärä on 6 NADH, 2 FADH₂ ja 2 ATP: tä. Krebsin sykli ei siis tuota suoraan paljon energiaa - vain 2 ATP / ylävirtaan syötettyä glukoosimolekyyliä - eikä myöskään tarvita happea. Mutta NADH ja FADH₂ ovat kriittisiä oksidatiivinen fosforylaatio vaiheet seuraavassa reaktiosarjassa, joita yhdessä kutsutaan elektronien siirtoketjuiksi.

NADH: n ja FADH: n eri molekyylit₂ soluhengityksen edellisissä vaiheissa luotut ovat valmiita käytettäväksi elektroninsiirtoketjussa, joka tapahtuu sisäisen mitokondrioiden kalvon taitteissa, nimeltään cristae. Lyhyesti sanottuna suurenergiset elektronit kiinnittyivät NAD: iin⁺ ja FAD²⁺ käytetään protonigradientin muodostamiseksi kalvon yli. Tämä tarkoittaa vain sitä, että protoneja (H⁺ ionit) kalvon toisella puolella kuin toisella puolella, mikä luo sysäyksen näille ioneille virrata korkeamman protonipitoisuuden alueilta alhaisemman protonipitoisuuden alueille. Tällä tavoin protonit käyttäytyvät vähän eri tavalla kuin esimerkiksi vesi, joka "haluaa" siirtyä korkeammalta alueelta matalammalle alueelle pitoisuus - tässä painovoiman vaikutuksen alaisena elektronikuljetuksessa havaitun niin kutsutun kemiosmoottisen gradientin sijasta ketju.

Kuten vesivoimalaitoksen turbiini, joka käyttää virtaavan veden energiaa tekemään työtä muualla (siinä tapauksessa tuottaa sähköä), osa protonin luomasta energiasta gradientti kalvon yli kaapataan vapaiden fosfaattiryhmien (P) kiinnittämiseksi ADP-molekyyleihin ATP: n, fosforylaation (ja tässä tapauksessa oksidatiivisen, prosessin) muodostamiseksi. fosforylaatio). Itse asiassa tämä tapahtuu yhä uudelleen elektroninsiirtoketjussa, kunnes kaikki NADH ja FADH₂ glykolyysistä ja Krebs-syklistä - noin 10 ensimmäistä ja kaksi jälkimmäistä - käytetään hyväksi. Tämän tuloksena syntyy noin 34 ATP-molekyyliä glukoosimolekyyliä kohti. Koska glykolyysi ja Krebs-sykli tuottavat kukin 2 ATP glukoosimolekyyliä kohden, kokonaismäärä, jos vapautuva energia on ainakin ihanteellisissa olosuhteissa 34 + 2 + 2 = 38 ATP.

Elektronitransporttiketjussa on kolme erilaista pistettä, joissa protonit voivat ylittää sisäisen mitokondriomembraanin päästäkseen tämän väliseen tilaan myöhemmin ja ulompi mitokondrioiden kalvo sekä neljä erillistä molekyylikompleksia (numeroitu I, II, III ja IV), jotka muodostavat ketju.

Elektronin siirtoketju vaatii happea, koska O₂ toimii ketjun viimeisenä elektroni-parin vastaanottajana. Jos happea ei ole läsnä, ketjun reaktiot loppuvat nopeasti, koska elektronien "alavirran" virtaus loppuu; heillä ei ole minne mennä. Aineista, jotka voivat lamauttaa elektroninsiirtoketjun, on syanidi (CN^-). Siksi olet ehkä nähnyt syanidia käyttävän tappavaa myrkkyä murhaissa tai vakoojaelokuvissa; kun sitä annetaan riittävinä annoksina, aerobinen hengitys loppuu vastaanottajan sisällä ja sen myötä elämä itsessään.

Usein oletetaan, että kasvit käyvät fotosynteesissä hapen muodostamiseksi hiilidioksidista, samalla kun eläimet käyttävät hengitys hiilidioksidin tuottamiseksi hapesta, mikä auttaa säilyttämään siistin ekosysteemin laajuisen, täydentävän saldo. Vaikka tämä pitää paikkansa pinnalla, se on harhaanjohtava, koska kasvit käyttävät sekä fotosynteesiä että aerobista hengitystä.

Koska kasvit eivät voi syödä, heidän on valmistettava ruokaa pikemminkin kuin nautittava. Tätä varten fotosynteesi, sarja reaktioita, jotka tapahtuvat eläinsoluissa, joita puuttuu, kutsutaan kloroplasteiksi. Voimanlähteenä auringonvalo, CO₂ kasvisolun sisällä kootaan glukoosiksi kloroplastien sisällä sarjassa vaiheita, jotka muistuttavat mitokondrioiden elektronikuljetusketjua. Sitten glukoosi vapautuu kloroplastista; enimmäkseen, jos siitä tulee kasvin rakenteellinen osa, mutta jotkut läpikäyvät glykolyysin ja etenevät sitten muun aerobisen hengityksen läpi sisääntulon jälkeen kasvisolun mitokondrioihin.