Mi az aerob légzés funkciója?

Az aerob légzés, amelyet gyakran felváltva használnak a "sejtlégzéssel", csodálatosan magas hozamú mód arra, hogy az élőlények nyerje ki a szénvegyületek kémiai kötéseiben tárolt energiát oxigén jelenlétében, és használja ezt a kivont energiát anyagcserében folyamatok. Az eukarióta organizmusok (azaz állatok, növények és gombák) mind aerob légzést alkalmaznak, elsősorban a mitokondriumnak nevezett sejtorganellumok jelenlétének köszönhetően. Néhány prokarióta organizmus (azaz baktérium) kezdetlegesebb aerob-légzési utakat használ, de általában, amikor "aerob légzést" lát, akkor többsejtű eukariótára kell gondolnia szervezet."

De ez nem minden, aminek a fejébe kellene ugrania. A továbbiakban elmondja mindazt, amit tudnia kell az aerob légzés alapvető kémiai útjairól, miért a reakciók ilyen lényeges halmaza, és hogyan kezdődött mindez a biológiai és geológiai folyamatok során történelem.

Minden sejtes tápanyagcsere a glükóz molekuláival kezdődik. Ez a hatszénes cukor mindhárom makrotápanyag-osztályba tartozó élelmiszerekből (szénhidrátok, fehérjék és zsírok) származhat, bár maga a glükóz egyszerű szénhidrát. Oxigén jelenlétében a glükóz átalakul és körülbelül 20 reakcióból álló láncban bomlik le szén-dioxid, víz, hő, és 36 vagy 38 adenozin-trifoszfát (ATP) molekula, a molekula, amelyet a sejtek minden élőlényben leggyakrabban üzemanyag. Az aerob légzéssel előállított ATP mennyiségének változása tükrözi azt a tényt, hogy a növények sejtek néha 38 ATP-t szorítanak ki egy glükózmolekulából, míg az állati sejtek 36 ATP-t generálnak glükózonként molekula. Ez az ATP a szabad foszfátmolekulák (P) és az adenozin-difoszfát (ADP) kombinálásából származik, szinte ez az aerob légzés legutóbbi szakaszában fordul elő az elektrontranszport reakcióiban lánc.

Az aerob légzést leíró teljes kémiai reakció a következő:

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

Míg a reakció ebben a formában elég egyértelműnek tűnik, meghazudtolja a lépések sokaságát, amelyek ahhoz szükségesek, hogy a az egyenlet bal oldala (a reagensek) a jobb oldal felé (a termékek, beleértve a 420 kilokalóriát felszabadult hő). Megállapodás szerint a reakciók teljes gyűjteménye három részre oszlik az egyes helyek alapján: glikolízis (citoplazma), a Krebs-ciklus (mitokondriális mátrix) és az elektrontranszport-lánc (belső mitokondriális membrán). Mielőtt ezeket a folyamatokat részletesen feltárnánk, meg kell vizsgálni, hogy az aerob légzés miként indult a Földön.

Az aerob légzés feladata, hogy üzemanyagot szolgáltasson a sejtek és szövetek javításához, növekedéséhez és fenntartásához. Ez kissé formális módon megjegyzi, hogy az aerob légzés életben tartja az eukarióta szervezeteket. Sok napot el lehet tölteni étkezés nélkül, és a legtöbb esetben legalább néhányat víz nélkül, de csak néhány percet oxigén nélkül.

Az oxigén (O) a normál levegőben diatomiás formában található, O₂. Ezt az elemet bizonyos értelemben az 1600-as években fedezték fel, amikor a tudósok számára nyilvánvalóvá vált, hogy a levegő tartalmaz elemet létfontosságú az állatok túlélése szempontjából, olyanok, amelyek zárt környezetben lánggal, vagy hosszabb távon lélegző.

Az oxigén a belélegzett gázkeverék körülbelül egyötödét teszi ki. De ez nem mindig volt így a bolygó 4,5 milliárd éves történetében és a változásban az oxigén mennyisége a Föld légkörében az idők során kiszámíthatóan mélyreható hatással volt a biológiai anyagokra evolúció. A bolygó jelenlegi életének első felében volt nem oxigén a levegőben. 1,7 milliárd évvel ezelőttre a légkör 4 százalék oxigénből állt, és egysejtű szervezetek jelentek meg. 0,7 milliárd évvel ezelőtt O₂ a levegő 10 és 20 százaléka között van, és nagyobb, többsejtű szervezetek jelentek meg. 300 millió évvel ezelőtt az oxigéntartalom a levegő 35 százalékára emelkedett, ennek megfelelően a dinoszauruszok és más nagyon nagy állatok voltak a normák. Később a levegő részaránya O₂ 15 százalékra esett, míg ismét oda emelkedett, ahol ma van.

Egyedül ennek a mintának a nyomon követésével egyértelmű, hogy tudományosan rendkívül valószínűnek tűnik, hogy az oxigén legfőbb feladata az állatok nagyméretűvé válása.

A glikolízis 10 reakciója önmagában nem igényli az oxigént a folyamat folytatásához, és a glikolízis bizonyos mértékben előfordul minden élőlényben, mind prokarióta, mind eukarióta. De a glikolízis szükséges előfutára a sejtlégzés specifikus aerob reakcióinak, és általában ezeket írja le.

Miután egy hatszögletű gyűrűs szerkezetű glükóz, a glükóz belép a sejt citoplazmájába, azonnal foszforilálódik, vagyis foszfátcsoport kapcsolódik az egyik szénatomjához. Ez hatékonyan csapdába ejti a glükózmolekulát a sejt belsejében azáltal, hogy nettó negatív töltést ad. Ezután a molekulát foszforilezett fruktózzá rendezik, atomok vesztesége vagy nyeresége nélkül, mielőtt még egy foszfátot adnának a molekulához. Ez destabilizálja a molekulát, amely ezután három szénatomos vegyületté fragmentálódik, amelyek mindegyikéhez a saját foszfátja kapcsolódik. Ezek egyikét átalakítják a másikká, majd a két három szénatomos molekula lépésenként egymás után feladja foszfátjait az ADP (adenozin-difoszfát) molekulákhoz, így 2 ATP-t kap. Az eredeti hatszénes glükózmolekula a háromszenes molekula két molekulájának tekercsel, amelyet piruvátnak hívnak, és ezen felül két NADH-molekula keletkezik (a későbbiekben részletesen tárgyaljuk).

A piruvát oxigén jelenlétében beköltözik a sejtorganellumok mátrixába (gondoljunk "középre") mitokondriumnak nevezik, és két szénatomos vegyületté alakul, az úgynevezett acetil koenzim A (acetil CoA). Ennek során a szén-dioxid (CO₂). Ennek során a NAD molekulája⁺ (egy úgynevezett nagy energiájú elektronhordozó) NADH-vá alakul.

A Krebs-ciklust, amelyet citromsav-ciklusnak vagy trikarbonsav-ciklusnak is neveznek, ciklusnak nevezzük, nem pedig reakciónak. mert egyik terméke, a négyszénes oxaloacetát molekula újra belép a ciklus kezdetébe egy acetil CoA. Ennek eredményeként egy hat szénatomos molekula keletkezik, amelyet citrátnak hívnak. Ezt a molekulát az enzimek egy sora öt szénatomszámú vegyületké alakítja, az úgynevezett alfa-ketoglutarátot, amely ezután egy újabb szénatomot veszít el, és így szukcinátot eredményez. Valahányszor egy szén elveszik, CO formájában van₂, és mivel ezek a reakciók energetikailag kedvezőek, minden szén-dioxid-veszteséget egy másik NAD átalakulása kísér⁺ a NAD-hoz. A szukcinát képződése az ATP molekuláját is létrehozza.

A szukcinát átalakul fumaráttá, egy FADH-molekula előállításával₂ a FAD-tól²⁺ (a NAD-hoz hasonló elektronhordozó⁺ funkcióban). Ez átalakul maláttá, így egy másik NADH keletkezik, amelyet ezután oxaloacetáttá alakítanak.

Ha megtartja a pontszámot, akkor 3 NADH-t, 1 FADH-t számolhat₂ és 1 ATP a Krebs-ciklus fordulatánként. De ne feledje, hogy minden glükózmolekula két acetil-CoA-molekulát szolgáltat a ciklusba való belépéshez, így ezen szintetizált molekulák teljes száma 6 NADH, 2 FADH₂ és 2 ATP. A Krebs-ciklus tehát közvetlenül nem generál sok energiát - csak 2 ATP / glükózmolekula az áramlási irányba szállítva - és oxigénre sincs szükség. De a NADH és a FADH₂ kritikusak a oxidatív foszforiláció a következő reakciósorozat lépései, összefoglalóan elektrontranszport-láncnak hívják.

A NADH és a FADH különféle molekulái₂ A sejtlégzés előző lépéseiben létrehozott elektronkész szállítási lánc felhasználásra kész, amely a belső mitokondriális membrán redőinek nevezett cristae-ként fordul elő. Röviden: a nagy energiájú elektronok a NAD-hoz kapcsolódnak⁺ és FAD²⁺ protongradiens létrehozására szolgálnak a membránon keresztül. Ez csak azt jelenti, hogy nagyobb a protonkoncentráció (H⁺ ionok) a membrán egyik oldalán, mint a másik oldalán, ezzel ösztönözve ezeket az ionokat a magasabb protonkoncentrációjú területekről az alacsonyabb protonkoncentrációjú területekre áramolni. Ily módon a protonok alig másképp viselkednek, mint mondjuk az a víz, amely "magasabb szintű" területről "alacsonyabb" területre akar "költözni". koncentráció - itt, a gravitáció hatására az elektrontranszportban megfigyelt úgynevezett kemioszmotikus gradiens helyett lánc.

Mint egy vízerőmű turbinája, amely az áramló víz energiáját hasznosítja másutt végzett munkához (ebben az esetben áramot termel), a proton által létrehozott energia egy része A membránon keresztüli gradienst rögzítünk, hogy szabad foszfátcsoportokat (P) hozzárendeljünk az ADP molekulákhoz, hogy létrehozzuk az ATP-t, amelyet foszforilezésnek nevezünk (és ebben az esetben oxidatív foszforiláció). Valójában ez újra és újra megtörténik az elektrontranszport-láncban, egészen a NADH-ig és a FADH-ig₂ a glikolízisből és a Krebs-ciklusból - az előbbiekből körülbelül 10, az utóbbiak közül kettő - hasznosítják. Ennek eredményeként glükózmolekulánként körülbelül 34 ATP-molekula jön létre. Mivel a glikolízis és a Krebs-ciklus mindegyike 2 ATP-t eredményez glükózmolekulánként, az összes kibocsátott energia mennyisége, legalábbis ideális körülmények között, 34 + 2 + 2 = 38 ATP.

Az elektrontranszport-láncban három különböző pont van, ahol a protonok átjuthatnak a belső mitokondriális membránon, hogy beléphessenek a köztük lévő térbe későbbi és a külső mitokondriális membrán, valamint négy különálló (I, II, III és IV számmal ellátott) molekuláris komplex, amelyek a lánc.

Az elektrontranszportlánc oxigént igényel, mert O₂ a lánc utolsó elektronpár elfogadójaként szolgál. Ha oxigén nincs jelen, a reakció a láncban gyorsan megszűnik, mert az elektronok "lefelé irányuló" áramlása megszűnik; nincs hová menniük. Az elektrontranszportláncot megbénító anyagok között szerepel a cianid (CN^-). Ezért láthatta, hogy a cianid halálos mérgeként használatos emberölési műsorokban vagy kémfilmekben; elegendő dózisban történő beadása esetén a befogadón belül leáll az aerob légzés, és ezzel együtt maga az élet is.

Gyakran feltételezik, hogy a növények fotoszintézisen mennek keresztül, hogy szén-dioxidból oxigént hozzanak létre, míg az állatok ezt használják légzés oxigénből szén-dioxid előállításához, ezáltal hozzájárulva az ökoszisztéma egészére kiterjedő, komplementer megőrzéséhez egyensúly. Bár ez a felszínen igaz, félrevezető, mert a növények mind a fotoszintézist, mind az aerob légzést használják.

Mivel a növények nem tudnak enni, inkább táplálékukat kell elkészíteniük, mint elfogyasztani. Erre szolgál a fotoszintézis, az organellum állatokban zajló reakciósor, amelyet kloroplasztnak neveznek. A napfény által működtetett CO₂ a növényi sejt belsejében kloroplasztok belsejében lévő glükózzá alakul össze olyan lépések sorozatában, amelyek a mitokondriumokban az elektrontranszport láncra hasonlítanak. Ezután a glükóz felszabadul a kloroplasztból; leginkább, ha a növény szerkezeti részévé válik, de néhányuk glikolízisen megy keresztül, majd a növényi sejtek mitokondriumába való belépés után az aerob légzés többi részén halad át.