Sejtlégzés: Definíció, egyenlet és lépések

A filozófus, Bertrand Russell azt mondta: "Minden élőlény egyfajta imperialista, és igyekszik minél jobban átalakulni környezete önmagába. "A metaforákat eltekintve, a sejtes légzés az élőlények végső formális formája ez. A sejtlégzés a külső környezetből (lég- és szénforrásokból) befogott anyagokat veszi fel és energiává alakítja őket további sejtek és szövetek építéséhez és az életfenntartás megvalósításához tevékenységek. Hulladéktermékeket és vizet is termel. Ez nem tévesztendő össze a mindennapi értelemben vett "légzéssel", ami általában ugyanazt jelenti, mint a "légzés". A légzés hogyan az organizmusok oxigént szereznek, de ez nem azonos az oxigén feldolgozásával, és a légzés sem képes ellátni a szintén szükséges szenet légzés; diéta gondoskodik erről, legalábbis állatoknál.

A sejtes légzés mind a növényekben, mind az állatokban előfordul, de a hiányzó prokariótákban (pl. Baktériumok) nem mitokondrium és más organellumok, és így nem tudják felhasználni az oxigént, korlátozva őket a glikolízisre, mint energiára forrás. A növények talán gyakrabban társulnak a fotoszintézishez, mint a légzéshez, de a fotoszintézis az oxigénforrás a növényi sejtek légzéséhez, valamint a növényből kilépő oxigénforrás, amelyet felhasználhat állatok. A végső melléktermék mindkét esetben az ATP, vagyis az adenozin-trifoszfát, az élőlények elsődleges kémiai energiahordozója.

A sejtes légzés, amelyet gyakran aerob légzésnek hívnak, a glükózmolekula teljes lebontása oxigén jelenlétében szén-dioxid és víz előállításához:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P -> 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP + 420 Kcal

Ennek az egyenletnek van egy oxidációs komponense (C₆H₁₂O₆ -> 6CO₂), lényegében az elektronok eltávolítása hidrogénatomok formájában. Van redukciós komponense, a 6O is₂ -> 6H₂O, amely hidrogén formájában lévő elektronok hozzáadása.

Amit az egyenlet egésze fordít, az az, hogy a reagensek kémiai kötéseiben tartott energia az adenozin-difoszfát (ADP) és a szabad foszforatomok (P) összekapcsolására használják az adenozin-trifoszfát előállításához (ATP).

A folyamat egésze több lépést foglal magában: A glikolízis a citoplazmában zajlik, majd a Krebs következik ciklust és az elektron transzportláncot a mitokondriális mátrixban és a mitokondriális membránon illetőleg.

A glükóz lebontásának első lépése mind a növényekben, mind az állatokban a glikolízis néven ismert 10 reakciósorozat. A glükóz kívülről jut be az állati sejtekbe, glükózmolekulákra bontott élelmiszerek útján amelyek a vérben keringenek, és olyan szövetek veszik fel őket, ahol a legnagyobb szükség van energiára (beleértve a agy). A növények ezzel szemben a glükózt úgy szintetizálják, hogy kívülről befogadják a szén-dioxidot, és a CO átalakításához fotoszintézist alkalmaznak₂ glükózra. Ezen a ponton, függetlenül attól, hogyan került oda, a glükóz minden molekulája ugyanazon sors elkötelezettje.

A glikolízis korai szakaszában a hat szénatomos glükózmolekulát foszforilálják, hogy csapdába ejtsék a sejtben; a foszfátok negatív töltésűek, ezért nem sodródhatnak át a sejtmembránon, mint a nempoláris, töltés nélküli molekulák néha. Hozzáadunk egy második foszfátmolekulát, ami instabillá teszi a molekulát, és hamarosan két nem azonos, három szénatomos vegyületté válik. Ezek hamarosan felveszik a kémiai formát, és több lépésben átrendeződnek, így végül két molekula keletkezik piruvát. Útközben két ATP-molekula kerül elfogyasztásra (korán ellátják a glükózhoz adott két foszfátot) és négyet állítanak elő, kettőt háromszénes eljárással, így molekulánként két ATP-molekula nettó hozama keletkezik szőlőcukor.

Baktériumok esetén a glikolízis önmagában elegendő a sejt - és így az egész szervezet - energiaigényéhez. Növényekben és állatokban ez nem így van, és a piruvát esetében a glükóz végső sorsa alig kezdődött el. Meg kell jegyezni, hogy a glikolízis önmagában nem igényel oxigént, de az oxigén általában benne van viták az aerob légzésről és ennélfogva a sejtes légzésről, mert szintetizálni szükséges piruvát.

A biológiai rajongók körében általános tévhit, hogy a kloroplasztikák ugyanazt a funkciót töltik be a növényekben, mint a mitokondrium az állatokban, és hogy minden egyes organizmustípusnak csak az egyik vagy a másik van. Ez nem így van. A növényekben mind kloroplaszt, mind mitokondrium van, míg az állatokban csak mitokondrium van. A növények kloroplasztokat használnak generátorként - kis szénforrást (CO₂) egy nagyobb (glükóz) építéséhez. Az állatok sejtjei a makromolekulák, például a szénhidrátok, a fehérjék és a zsírok lebontásával kapják meg a glükózjukat, és ezért nem kell belülről glükózt létrehozniuk. Ez furcsa és hatástalannak tűnhet a növények esetében, de a növények kifejlesztettek egy olyan tulajdonságot, amelyre az állatok nem: a napfény hasznosításának képessége az anyagcsere-funkciókhoz. Ez lehetővé teszi a növények számára, hogy szó szerint elkészítsék saját ételeiket.

Úgy gondolják, hogy a mitokondrium sok száz millió évvel ezelőtt egyfajta szabadon álló baktérium volt, ezt az elméletet figyelemre méltó szerkezeti hasonlóság a baktériumokkal, anyagcsere-mechanizmusukkal, valamint saját DNS-jük és organelláik jelenléte riboszómák. Az eukarióták először egymilliárd évvel ezelőtt jöttek létre, amikor az egyik sejtnek sikerült elnyelni a másikat (az endoszimbiont hipotézis), olyan megállapodáshoz vezetett, amely a kibővített energiatermelés miatt nagyon előnyös volt az elrendező számára képességeit. A mitokondrium kettős plazmamembránból áll, mint maguk a sejtek; a belső membrán tartalmaz cristae nevű redőket. A mitokondrium belső része mátrix néven ismert, és analóg az egész sejtek citoplazmájával.

A kloroplasztok, mint a mitokondriumok, külső és belső hártyával és saját DNS-sel rendelkeznek. A belső membrán által elzárt tér belsejében egymással összekapcsolt, rétegzett és folyadékkal töltött membrán tasakok, úgynevezett tilakoidok találhatók. A tilakoidok minden egyes "halma" granumot képez (többes szám: grana). A gránát körülvevő belső membránon belüli folyadékot sztrómának nevezzük.

A kloroplasztok klorofill nevű pigmentet tartalmaznak, amely mind a növényeknek zöld színt ad, mind pedig a napfény gyűjtőjeként szolgál a fotoszintézishez. A fotoszintézis egyenlete pontosan fordítottja a sejtlégzésének, de az egyes lépések, amelyekből eljuthatunk a széndioxid - glükóz semmiképpen sem hasonlít az elektrontranszportlánc, a Krebs-ciklus és a glikolízis.

Ebben a folyamatban, amelyet trikarbonsav (TCA) ciklusnak vagy citromsav ciklusnak is neveznek, a piruvátmolekulák először kétszénes molekulákká alakulnak, amelyeket acetil-koenzim A-nak (acetil-CoA) neveznek. Ez felszabadítja a CO molekuláját₂. Az acetil-CoA-molekulák ezután belépnek a mitokondriális mátrixba, ahol mindegyik négyszénes oxalacetát-molekulával kombinálva citromsavat képez. Tehát, ha gondos könyvelést végez, egy glükózmolekula két citromsavmolekulát eredményez a Krebs-ciklus elején.

A citromsav, egy hat szénatomos molekula, átrendeződik izocitráttá, majd egy szénatomot ledesztillálva ketoglutarát képződik CO-val.₂ kilép a ciklusból. A ketoglutarátot viszont egy másik szénatomtól megfosztják, és ezzel újabb CO-t termelnek₂ és szukcinát, valamint egy ATP-molekula is. Innentől kezdve a négy szénatomos szukcinát molekula egymást követően átalakul fumaráttá, maláttá és oxaloacetáttá. Ezekben a reakciókban a hidrogénionokat eltávolítják ezekből a molekulákból, és nagy energiájú NAD + és FAD + elektronhordozókra tapadva NADH-t és FADH-t alkotnak.₂ illetve ami lényegében álruhában az energia "alkotás", amint hamarosan látni fogod. A Krebs-ciklus végén az eredeti glükózmolekula 10 NADH-t és két FADH-t eredményezett₂ molekulák.

A Krebs-ciklus reakciói eredeti glükózmolekulánként csak két ATP-molekulát eredményeznek, egyet a ciklus minden egyes fordulatához. Ez azt jelenti, hogy a glikolízis során előállított két ATP mellett a Krebs-ciklus után összesen négy ATP származik. De az aerob légzés valódi eredményei ebben a szakaszban még nem derültek ki.

Az elektrontranszport-lánc, amely a belső mitokondriális membrán cristae-ján fordul elő, a sejtlégzés első lépése, amely kifejezetten az oxigénre támaszkodik. A NADH és a FADH₂ a Krebs-ciklusban előállított anyagok mostanra készek arra, hogy jelentős módon hozzájáruljanak az energia felszabadításához.

Ez úgy történik, hogy az ezeken az elektronhordozó molekulákon tárolt hidrogénionok (egy hidrogénion képes például elektroncsként tekintendő a légzés ezen részéhez való hozzájárulása szempontjából) hozzon létre egy kemioszmotikus gradiens. Talán hallottál már egy koncentrációgradiensről, amelyben a molekulák a magasabb koncentrációjú régiókból áramolnak alacsonyabb koncentrációjú területek, például egy vízben oldódó cukorkocka és a cukorrészecskék szétszóródnak végig. Kemioszmotikus gradiensben azonban a NADH és a FADH elektronjai₂ a membránba ágyazott fehérjék átjutnak az elektrontranszfer rendszerként. Az ebben a folyamatban felszabaduló energiát hidrogénionok szivattyúzására használják a membránon, és koncentrációs gradienst hoznak létre rajta. Ez egy irányban hidrogénatomok nettó áramlásához vezet, és ezt az áramlást az ATP-szintáz nevű enzim táplálására használják, amely ADP-ből és P-ből állítja elő az ATP-t. Gondoljon az elektronszállító láncra, mint olyasvalamire, amely nagy súlyú vizet helyez a vízikerék mögé, amelynek későbbi forgatásával dolgokat építenek fel.

Ez nem mellesleg ugyanaz a folyamat, amelyet a kloroplasztokban használnak a glükózszintézis elősegítésére. A kloroplaszt membránon átmenő gradiens létrehozásának energiaforrása ebben az esetben nem NADH és FADH₂, de napfény. Az ezt követő hidrogénionok alacsonyabb H + ionkoncentráció irányú áramlását a nagyobb szénmolekulák kisebbekből történő szintézisének előállítására használják, kezdve a CO₂ és C-vel végződik₆H₁₂O₆.

A kemioszmotikus gradiensből áramló energiát nemcsak az ATP termelésére, hanem más létfontosságú sejtes folyamatokra, például a fehérjeszintézisre is felhasználják. Ha az elektrontranszport lánc megszakad (mint a hosszan tartó oxigénhiány esetén), akkor ez a protongradiens nem tartható fenn és a sejtenergia-termelés leáll, ahogyan a vízikerék leáll, amikor a körülötte lévő víznek már nincs nyomásárama gradiens.

Mivel kísérletileg kimutatták, hogy mindegyik NADH-molekula körülbelül három ATP-molekulát és minden egyes FADH-t termel₂ két ATP-molekulát termel, az elektrontranszport-láncreakció által felszabadított teljes energia (az előző szakaszra utalva) 10-szer 3-szor (NADH esetén) plusz 2-szer 2-szer (FADH esetén)₂) összesen 34 ATP-re. Adja hozzá ezt a glikolízisből származó 2 ATP-hez és a Krebs-ciklus 2-jéhez, és innen származik az aerob légzés egyenletének 38 ATP-alakja.