מה הפונקציה של הנשימה האירובית?

נשימה אירובית, מונח המשמש לעתים קרובות להחלפה עם "נשימה תאית", היא דרך בעלת תשואה גבוהה להפליא ליצורים חיים להפיק אנרגיה המאוחסנת בקשרים כימיים של תרכובות פחמן בנוכחות חמצן, ולשים את האנרגיה המופקת הזו לשימוש בחילוף החומרים תהליכים. אורגניזמים אוקריוטים (כלומר, בעלי חיים, צמחים ופטריות) משתמשים כולם בנשימה אירובית, בעיקר הודות לנוכחותם של אברונים תאיים הנקראים מיטוכונדריה. כמה אורגניזמים פרוקריוטים (כלומר חיידקים) משתמשים במסלולים נשימתיים אירוביים ראשוניים יותר, אך באופן כללי, כאשר אתה רואה "נשימה אירובית", עליך לחשוב "אוקריוטי רב-תאי אורגניזם. "

אבל זה לא כל מה שצריך לקפוץ למוחכם. להלן אומר לך את כל מה שאתה צריך לדעת על המסלולים הכימיים הבסיסיים של הנשימה האירובית, מדוע זה קבוצה כה חיונית של תגובות, וכיצד הכל התחיל במהלך הביולוגי והגיאולוגי הִיסטוֹרִיָה.

כל חילוף החומרים התזונתיים בתאים מתחיל במולקולות של גלוקוז. ניתן להפיק סוכר בעל שישה פחמן זה ממזונות בכל שלוש הכיתות המקרו-תזונתיות (פחמימות, חלבונים ושומנים), אם כי הגלוקוז עצמו הוא פחמימה פשוטה. בנוכחות חמצן, הגלוקוז הופך ומתפרק בשרשרת של כ -20 תגובות לייצור פחמן דו חמצני, מים, חום, ו 36 או 38 מולקולות של אדנוזין טריפוספט (ATP), המולקולה המשמשת לרוב את התאים בכל היצורים החיים כמקור ישיר ל דלק. השונות בכמות ה- ATP המיוצרת על ידי נשימה אירובית משקפת את העובדה שתאים צמחים לפעמים סוחטים 38 ATP ממולקולת גלוקוז אחת, בעוד שתאי בעלי חיים מייצרים 36 ATP לגלוקוז מולקולה. ATP זה מגיע משילוב מולקולות פוספט חופשיות (P) ו- Adenosine diphosphate (ADP), כמעט עם כל זה קורה בשלבים האחרונים של הנשימה האירובית בתגובות הובלת האלקטרונים שַׁרשֶׁרֶת.

התגובה הכימית השלמה המתארת ​​נשימה אירובית היא:

ג₆ה₁₂או₆ + 36 (או 38) ADP + 36 (או 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 קק"ל + 36 (או 38) ATP.

בעוד שהתגובה עצמה נראית פשוטים בצורה זו, היא שוללת את שלל הצעדים שנדרשים בכדי להגיע מה- צד שמאל של המשוואה (המגיבים) לצד ימין (המוצרים, כולל 420 קילו-קלוריות משוחררים חוֹם). לפי האמנה, כל אוסף התגובות מחולק לשלושה חלקים על סמך המקום בו כל אחת מתרחשת: גליקוליזה (ציטופלזמה), מחזור קרבס (מטריצה ​​מיטוכונדריאלית) ושרשרת הובלת האלקטרונים (מיטוכונדריה פנימית קְרוּם). לפני שבודקים את התהליכים הללו בפירוט, עם זאת, הסתדר כיצד הנשימה האירובית התחילה את דרכה בכדור הארץ.

תפקיד הנשימה האירובית הוא לספק דלק לתיקון, גדילה ותחזוקה של תאים ורקמות. זוהי דרך רשמית מעט לציין כי נשימה אירובית מחזיקה חיים של אורגניזמים אוקריוטים. אתה יכול ללכת הרבה ימים בלי אוכל ולפחות כמה בלי מים ברוב המקרים, אבל רק כמה דקות בלי חמצן.

חמצן (O) נמצא באוויר רגיל בצורתו הדיאטומית, O₂. אלמנט זה התגלה, במובן מסוים, בשנות ה 1600-, כאשר התברר למדענים כי באוויר יש אלמנט חיוני להישרדותם של בעלי חיים, כזה שעלול להידלק בסביבה סגורה באמצעות להבה או, בטווח הארוך יותר, על ידי נְשִׁימָה.

חמצן מהווה כחמישית מתערובת הגזים שאתה נושם פנימה. אבל זה לא תמיד היה ככה בהיסטוריה של 4.5 מיליארד השנים על פני כדור הארץ, והשינוי בעולם לכמות החמצן באטמוספירה של כדור הארץ לאורך זמן היו השפעות עמוקות באופן צפוי על הביולוגיות אבולוציה. במחצית הראשונה של חייו הנוכחיים של כדור הארץ, היה לא חמצן באוויר. לפני 1.7 מיליארד שנה, האטמוספירה כללה ארבעה אחוזים חמצן, ואורגניזמים חד תאיים הופיעו. לפני 0.7 מיליארד שנה, O₂ היוו בין 10 ל -20 אחוז מהאוויר, והופיעו אורגניזמים רב-תאיים גדולים יותר. נכון לפני 300 מיליון שנה תכולת החמצן עלתה ל -35% מהאוויר, ובהתאם לכך, דינוזאורים ובעלי חיים גדולים מאוד היו הנורמה. מאוחר יותר, חלק האוויר שבידי או₂ צנח ל -15 אחוזים עד ששוב עלה למקום בו הוא נמצא היום.

ברור על ידי מעקב אחר תבנית זו בלבד, שנראה כי סביר מאוד מדעית שתפקידה האולטימטיבי של חמצן הוא לגרום לבעלי חיים לגדול.

10 התגובות של הגליקוליזה אינן דורשות חמצן בכדי להמשיך, וגליקוליזה מתרחשת במידה מסוימת בכל היצורים החיים, פרוקריוטים ואוקריוטים כאחד. אך גליקוליזה היא מבשר הכרחי לתגובות אירוביות ספציפיות של נשימה תאית, והיא מתוארת בדרך כלל יחד עם אלה.

ברגע שגלוקוז, מולקולה של שש פחמן עם מבנה טבעת משושה, נכנס לציטופלזמה של התא, הוא זרחן מיד, כלומר יש לו קבוצת פוספט המחוברת לאחד הפחמן שלו. זה למעשה לוכד את מולקולת הגלוקוז בתוך התא על ידי מתן מטען שלילי נטו. לאחר מכן מסדרים את המולקולה מחדש לפרוקטוז זרחני, ללא אובדן או רווח של אטומים, לפני שמוסיפים עוד פוספט נוסף למולקולה. זה מערער את היציבות של המולקולה, ואז מתפצלת לצמד תרכובות של שלוש פחמן, שכל אחת מהן מחוברת לפוספט משלה. אחת מהן הופכת לשנייה, ואז, בסדרת שלבים, שתי מולקולות שלוש הפחמן מוותרות על הפוספטים שלהן למולקולות של ADP (אדנוזין דיפוספט) כדי להניב 2 ATP. מולקולת הגלוקוז המקורית עם שישה פחמן מתפתחת כשתי מולקולות של מולקולת שלוש פחמן הנקראת פירובט, ובנוסף נוצרות שתי מולקולות של NADH (שנדונו בפירוט בהמשך).

פירובט, בנוכחות חמצן, עובר למטריקס (תחשוב "אמצע") של אברונים תאיים נקרא מיטוכונדריה ומומר לתרכובת דו פחמנית, הנקראת אצטיל קואנזים A (אצטיל CoA). בתהליך, מולקולה של פחמן דו חמצני (CO₂). בתהליך, מולקולה של NAD⁺ (מה שמכונה מוביל אלקטרונים בעל אנרגיה גבוהה) מומר ל- NADH.

מחזור קרבס, המכונה גם מחזור חומצת לימון או מחזור חומצה טריקרבוקסילית, מכונה מחזור ולא תגובה. מכיוון שאחד ממוצריו, מולקולת ארבע הפחמן אוקסאלואצטט, נכנס מחדש לתחילת המחזור על ידי שילוב עם מולקולה של אצטיל CoA. התוצאה היא מולקולה בת שש פחמנים הנקראת ציטראט. מולקולה זו עוברת מניפולציה על ידי סדרה של אנזימים לתרכובת של חמש פחמן הנקראת אלפא-קטוגלוטרט, ואז היא מאבדת פחמן נוסף כדי לייצר סוקצינט. בכל פעם שאובד פחמן, זה בצורה של CO₂ומכיוון שתגובות אלו חיוביות מבחינה אנרגטית, כל אובדן פחמן דו חמצני מלווה בהמרה של NAD אחר⁺ ל- NAD. היווצרות סוצינאט יוצרת גם מולקולה של ATP.

סוקצינט מומר לפומאט, ויוצר מולקולה אחת של FADH₂ מ- FAD²⁺ (נשא אלקטרונים הדומה ל- NAD⁺ בתפקוד). זה מומר למלט, ומניב NADH נוסף, אשר הופך לאחר מכן לאוקסאלואצטט.

אם אתה שומר ציון, אתה יכול לספור 3 NADH, 1 FADH₂ ו- ATP אחד לסיבוב במחזור קרבס. אך זכור כי כל מולקולת גלוקוז מספקת שתי מולקולות של אצטיל CoA לכניסה למחזור, כך שהמספר הכולל של מולקולות אלה המסונתזות הוא 6 NADH, 2 FADH₂ ו- 2 ATP. מחזור קרבס אינו מייצר אנרגיה רבה ישירות - רק 2 ATP לכל מולקולה של גלוקוז המסופק במעלה הזרם - וגם אין צורך בחמצן. אבל ה- NADH וה- FADH₂ הם קריטיים ל זרחון חמצוני השלבים בסדרת התגובות הבאה, המכונה יחד שרשרת הובלת אלקטרונים.

המולקולות השונות של NADH ו- FADH₂ שנוצרו בשלבים הקודמים של נשימה תאית מוכנים לשימוש לשימוש בשרשרת הובלת האלקטרונים, המתרחשת בקפלים של הקרום המיטוכונדריאלי הפנימי הנקרא cristae. בקיצור, האלקטרונים עתירי האנרגיה המחוברים ל- NAD⁺ ו- FAD²⁺ משמשים ליצירת שיפוע פרוטון על פני הממברנה. זה רק אומר שיש ריכוז גבוה יותר של פרוטונים (H⁺ יונים) בצד אחד של הממברנה מאשר בצד השני, מה שיוצר תנופה ליונים אלה לזרום מאזורים בעלי ריכוז פרוטון גבוה יותר לאזורים בעלי ריכוז פרוטון נמוך יותר. באופן זה, פרוטונים מתנהגים באופן שונה מעט מאשר, למשל, מים ש"רוצים "לעבור מאזור בגובה גבוה יותר לאזור נמוך יותר ריכוז - כאן, בהשפעת כוח הכבידה במקום מה שמכונה שיפוע כימיוסמוטי שנצפה בתעבורת האלקטרונים שַׁרשֶׁרֶת.

כמו טורבינה במפעל הידרואלקטרי הרותם את האנרגיה של מים זורמים לעבודה במקום אחר (במקרה כזה, לייצר חשמל), חלק מהאנרגיה שהקים הפרוטון שיפוע על פני הממברנה נלכד כדי לצרף קבוצות פוספט חופשיות (P) למולקולות ADP כדי ליצור ATP, תהליך הנקרא זרחון (ובמקרה זה, חמצון זרחון). למעשה, זה קורה שוב ושוב בשרשרת הובלת האלקטרונים, עד שכל ה- NADH וה- FADH₂ מגליקוליזה ומחזור קרבס - כ -10 מהראשונים ושניים מהאחרונים - מנוצל. התוצאה היא יצירת כ 34 מולקולות של ATP למולקולת גלוקוז. מכיוון שגליקוליזה ומחזור קרבס מניבים כל אחד 2 ATP למולקולת גלוקוז, הכמות הכוללת אם האנרגיה המשתחררת, לפחות בתנאים אידיאליים, היא 34 + 2 + 2 = 38 ATP בסך הכל.

ישנן שלוש נקודות שונות בשרשרת הובלת האלקטרונים בהן פרוטונים יכולים לחצות את קרום המיטוכונדריה הפנימי כדי להיכנס לחלל שבין זה. מאוחר יותר והקרום המיטוכונדריאלי החיצוני, וארבעה מתחמים מולקולריים מובחנים (ממוספרים I, II, III ו- IV) המהווים את נקודות העיגון הפיזיות של שַׁרשֶׁרֶת.

שרשרת הובלת האלקטרונים דורשת חמצן מכיוון ש- O₂ משמש כמקבל זוג האלקטרונים הסופי בשרשרת. אם אין חמצן, התגובות בשרשרת נפסקות במהירות מכיוון שזרם האלקטרונים "במורד הזרם" מפסיק; אין להם לאן ללכת. בין החומרים העלולים לשתק את שרשרת הובלת האלקטרונים הוא ציאניד (CN^-). זו הסיבה שאולי ראית ציאניד המשמש כרעל קטלני בתוכניות רצח או סרטי ריגול; כאשר הוא מנוהל במינונים מספקים, הנשימה האירובית בתוך הנמען נעצרת, ואיתה גם החיים עצמם.

לעתים קרובות מניחים כי צמחים עוברים פוטוסינתזה כדי ליצור חמצן מפחמן דו חמצני, בעוד בעלי חיים משתמשים נשימה לייצור פחמן דו חמצני מחמצן, ובכך לסייע בשימור מערכת אקולוגית מסודרת, משלימה איזון. למרות שזה נכון על פני השטח, זה מטעה, מכיוון שצמחים עושים שימוש הן בפוטוסינתזה והן בנשימה אירובית.

מכיוון שצמחים אינם יכולים לאכול, עליהם להכין, ולא לבלוע, את מזונם. לשם כך נועדה פוטוסינתזה, סדרת תגובות המתרחשת בחסרי בעלי חיים אברונים הנקראים כלורופלסטים. מופעל על ידי אור שמש, CO₂ בתוך תא הצמח מורכב גלוקוז בתוך כלורופלסטים בסדרת צעדים הדומים לשרשרת הובלת האלקטרונים במיטוכונדריה. הגלוקוז משתחרר אז מהכלורופלסט; בעיקר אם הוא הופך לחלק מבני של הצמח, אך חלקם עוברים גליקוליזה ואז ממשיכים בשאר הנשימה האירובית לאחר שנכנסים למיטוכונדריה של תאי הצמח.