ფილოსოფოსმა ბერტრან რასელმა თქვა: ”ყველა ცოცხალი არსება ერთგვარი იმპერიალისტია, რაც ცდილობს მაქსიმალურად გარდაქმნას თავის გარემოში თავისთავად ". მეტაფორების გარდა, უჯრედული სუნთქვა არის ფორმალური გზა, რომელშიც საბოლოოდ ხდება ცოცხალი არსებები ეს უჯრედული სუნთქვა იღებს გარე გარემოდან აღებულ ნივთიერებებს (ჰაერისა და ნახშირბადის წყაროები) და გარდაქმნის მათ ენერგიად მეტი უჯრედისა და ქსოვილის შესაქმნელად და სიცოცხლის შენარჩუნების მიზნით საქმიანობის. იგი ასევე წარმოქმნის ნარჩენ პროდუქტებს და წყალს. ეს არ უნდა აგვერიოს "სუნთქვაში" ყოველდღიური გაგებით, რაც ჩვეულებრივ ნიშნავს იგივე რაც "სუნთქვას". სუნთქვა როგორ ორგანიზმები იღებენ ჟანგბადს, მაგრამ ეს არ არის იგივე ჟანგბადის დამუშავება და სუნთქვა ვერ უზრუნველყოფს იმ ნახშირბადს, რომელიც ასევე საჭიროა სუნთქვა; დიეტა ამაზე ზრუნავს, სულ მცირე, ცხოველებში.
უჯრედული სუნთქვა ხდება როგორც მცენარეებში, ასევე ცხოველებში, მაგრამ არა პროკარიოტებში (მაგალითად, ბაქტერიებში), რომელთა ნაკლებობაა მიტოქონდრიები და სხვა ორგანელები და, ამრიგად, არ შეუძლიათ ჟანგბადის გამოყენება, რაც ზღუდავს მათ გლიკოლიზით, როგორც ენერგიად წყარო. მცენარეები, ალბათ, უფრო ხშირად ასოცირდება ფოტოსინთეზთან, ვიდრე სუნთქვასთან, მაგრამ ფოტოსინთეზი არის ჟანგბადის წყარო მცენარეთა უჯრედების სუნთქვისთვის და აგრეთვე ჟანგბადის წყარო, რომელიც გამოდის მცენარეთაგან, რომლის გამოყენებაც შესაძლებელია ცხოველები. საბოლოო პროდუქტი ორივე შემთხვევაში არის ATP, ან ადენოზინტრიფოსფატი, პირველადი ქიმიური ენერგიის გადამზიდავი ცოცხალ არსებაში.
განტოლება ფიჭური სუნთქვისთვის
უჯრედული სუნთქვა, რომელსაც ხშირად აერობულ სუნთქვას უწოდებენ, არის გლუკოზის მოლეკულის სრული დაშლა ჟანგბადის არსებობისას, ნახშირორჟანგისა და წყლის გამოყოფით:
გ6ჰ12ო6 + 6 ო2 + 38 ADP +38 P -> 6CO2 + 6 თ2O + 38 ATP + 420 კკალ
ამ განტოლებას აქვს დაჟანგვის კომპონენტი (C6ჰ12ო6 -> 6CO2), არსებითად ელექტრონების მოცილება წყალბადის ატომების სახით. მას ასევე აქვს შემცირების კომპონენტი, 6O2 -> 6 თ2O, რომელიც არის ელექტრონების დამატება წყალბადის სახით.
მთლიანობაში რაც განტოლება ითარგმნება არის ის, რომ ენერგია, რომელიც რეაქტიული ნივთიერებების ქიმიურ ბმებში ინახება გამოიყენება ადენოზინ დიფოსფატის (ADP) ფოსფორის ატომებთან (P) დასაკავშირებლად ადენოზინტრიფოსფატის წარმოსაქმნელად (ATP).
მთლიანობაში ეს პროცესი მოიცავს მრავალ საფეხურს: გლიკოლიზი ხდება ციტოპლაზმაში, შემდეგ კი კრები ციკლი და ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვი მიტოქონდრიულ მატრიქსში და მიტოქონდრიულ მემბრანაზე შესაბამისად.
გლიკოლიზის პროცესი
გლუკოზის დაშლის პირველი ეტაპი როგორც მცენარეებში, ასევე ცხოველებში არის 10 რეაქციის სერია, რომელიც ცნობილია როგორც გლიკოლიზი. გლუკოზა ცხოველურ უჯრედებში შედის გარედან, გლუკოზის მოლეკებად დაშლილი საკვების საშუალებით რომლებიც ცირკულირებენ სისხლში და იღებენ ქსოვილებს, სადაც ენერგია ყველაზე მეტად არის საჭირო (მათ შორის ტვინი). პირიქით, მცენარეები სინთეზირებენ გლუკოზას გარედან ნახშირორჟანგის მიღებისა და CO- ს გარდაქმნის მიზნით ფოტოსინთეზის გამოყენებით.2 გლუკოზამდე. ამ ეტაპზე, განურჩევლად იმისა, თუ როგორ მოხვდება იქ, გლუკოზის ყველა მოლეკულა ერთნაირი ბედია.
გლიკოლიზის დასაწყისში ექვსი ნახშირბადის გლუკოზის მოლეკულა ფოსფორილირდება, რომ იგი უჯრედში მოხვდეს; ფოსფატები უარყოფითად იტვირთება და, შესაბამისად, მათ არ შეუძლიათ უჯრედის მემბრანაში გადაადგილება, ისევე როგორც ზოგჯერ არაპოლარული, დატვირთული მოლეკულები. ემატება მეორე ფოსფატის მოლეკულა, რაც არამდგრადს ხდის მოლეკულას და ის მალე გაიყოფა ორ არაიდენტურ სამ ნახშირბადოვან ნაერთად. ეს მალე მიიღებს ქიმიურ ფორმას და გადანაწილდება მთელი რიგი ნაბიჯებით, რომ საბოლოოდ გამოიღოს ორი მოლეკულა პირუვატი. გზად ATP– ს ორი მოლეკულა მოიხმარება (ისინი ამარაგებენ გლუკოზას დამატებულ ორ ფოსფატს) და ოთხი წარმოიქმნება, ორი თითო თითოეული ნახშირბადის პროცესისგან, რათა მიიღონ წმინდა ATP ორი მოლეკულა თითო მოლეკულაზე გლუკოზა
ბაქტერიებში, მხოლოდ გლიკოლიზი საკმარისია უჯრედის - და, შესაბამისად, მთელი ორგანიზმისთვის - ენერგიის საჭიროებისთვის. მაგრამ მცენარეებსა და ცხოველებში ეს ასე არ არის და პიროვატის შემთხვევაში, გლუკოზის საბოლოო ბედი ძლივს დაიწყო. უნდა აღინიშნოს, რომ გლიკოლიზი თავისთავად არ საჭიროებს ჟანგბადს, მაგრამ ზოგადად ჟანგბადი შედის მასში დისკუსიები აერობულ სუნთქვაზე და, შესაბამისად, უჯრედულ სუნთქვაზე, რადგან საჭიროა სინთეზირება პირუვატი
მიტოქონდრია ქლოროპლასტები
ბიოლოგიის ენთუზიასტებს შორის გავრცელებული მცდარი შეხედულებაა, რომ ქლოროპლასტები მცენარეებში იგივე ფუნქციას ასრულებენ, რასაც მიტოქონდრია ახდენს ცხოველებში და ორგანიზმის თითოეულ ტიპს მხოლოდ ერთი ან მეორე აქვს. ეს ასე არ არის. მცენარეებს აქვთ როგორც ქლოროპლასტები, ასევე მიტოქონდრია, ხოლო ცხოველებს აქვთ მხოლოდ მიტოქონდრია. მცენარეები გენერატორებად იყენებენ ქლოროპლასტებს - იყენებენ ნახშირბადის მცირე წყაროს (CO2) უფრო დიდი ზომის შესაქმნელად (გლუკოზა). ცხოველების უჯრედები იღებენ გლუკოზას მაკრომოლეკულების დაშლის შედეგად, როგორიცაა ნახშირწყლები, ცილები და ცხიმები და, ამრიგად, მათ არ სჭირდებათ გლუკოზის შექმნა შიგნიდან. ეს შეიძლება უცნაურად და არაეფექტურად გამოიყურებოდეს მცენარეთა შემთხვევაში, მაგრამ მცენარეებმა შეიმუშავეს ერთი თვისება, რაც ცხოველებს არ აქვთ: მზის სხივების გამოყენების უნარი მეტაბოლური ფუნქციების პირდაპირი გამოყენებისათვის. ეს საშუალებას აძლევს მცენარეებს სიტყვასიტყვით მოამზადონ საკუთარი საკვები.
მიტოქონდრიები ითვლება, რომ ეს იყო ერთგვარი თავისუფალი ბაქტერია მრავალი ასეული მილიონი წლის წინ, თეორია, რომელსაც მხარს უჭერს მათი შესანიშნავი სტრუქტურული მსგავსება ბაქტერიებთან, აგრეთვე მათ მეტაბოლურ აპარატებთან და საკუთარი დნმ-ისა და ორგანელების არსებობა, ე.წ. რიბოსომები. ეუკარიოტები პირველად გაჩნდა მილიარდზე მეტი წლის წინ, როდესაც ერთმა უჯრედმა მოახერხა მეორის გახვევა (ენდოსიმბიონტის ჰიპოთეზა) შეთანხმებამდე მივყავართ, რომელიც ძალიან სასარგებლო იყო ამ შეთანხმების ჩამრთველისთვის გაფართოებული ენერგიის გამომუშავების გამო შესაძლებლობები. მიტოქონდრია შედგება ორმაგი პლაზმური მემბრანისგან, ისევე როგორც თვით უჯრედები; შიდა მემბრანა მოიცავს ნაოჭებს, რომელსაც ეწოდება cristae. მიტოქონდრიის შიდა ნაწილი მატრიქსის სახელითაა ცნობილი და მთლიანი უჯრედების ციტოპლაზმის ანალოგია.
ქლოროპლასტებს, მიტოქონდრიების მსგავსად, აქვთ გარეთა და შიდა გარსები და საკუთარი დნმ. შიდა მემბრანის მიერ გარშემორტყმული სივრცის შიგნით მდებარეობს ურთიერთდაკავშირებული, ფენიანი და სითხით სავსე მემბრანული ჩანთების ასორტი, რომელსაც თილაკოიდები ეწოდება. თილაკოიდების თითოეული "დასტა" ქმნის გრანუმს (მრავლობითი: გრანა). შიდა გარსის შიგნით არსებულ სითხეს, რომელიც გარს აკრავს, ეწოდება სტრომა.
ქლოროპლასტები შეიცავს პიგმენტს, რომელსაც ქლოროფილი ეწოდება, რომელიც მცენარეებს აძლევს მწვანე შეფერილობას და მზის სხივის შემგროვებლად ემსახურება ფოტოსინთეზს. ფოტოსინთეზის განტოლება არის უჯრედული სუნთქვის საპირისპირო, მაგრამ ამის მისაღწევად ინდივიდუალური ნაბიჯებია ნახშირორჟანგი გლუკოზამდე არანაირად არ ჰგავს ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვის საწინააღმდეგო რეაქციებს, კრებსის ციკლს და გლიკოლიზი.
კრებსის ციკლი
ამ პროცესში, რომელსაც ასევე უწოდებენ ტრიკარბოქსილის მჟავას (TCA) ციკლს ან ლიმონმჟავას ციკლს, პირუვატის მოლეკულები პირველ რიგში გარდაიქმნება ორ ნახშირბადოვან მოლეკულად, სახელწოდებით აცეტილ კოფერმენტ A (აცეტილ CoA). ამით გამოიყოფა CO მოლეკულა2. შემდეგ აცეტილ CoA მოლეკულები შედიან მიტოქონდრიულ მატრიქსში, სადაც თითოეული მათგანი აერთიანებს ოქსალოაცეტატის ოთხ ნახშირბადის მოლეკულას და ქმნის ლიმონმჟავას. ამრიგად, თუ ფრთხილად აკეთებთ აღრიცხვას, გლუკოზის ერთი მოლეკულის შედეგად წარმოიქმნება ორი მოლეკულა ლიმონმჟავა კრებსის ციკლის დასაწყისში.
ლიმონმჟავა, ექვს ნახშირბადის მოლეკულა, გადანაწილებულია იზოციტრატად და შემდეგ ნახშირბადის ატომი ჩამოიშორება და ქმნის კეტოგლუტარატს, CO2 ციკლიდან გამოსვლა. კეტოგლუტარატს თავის მხრივ აცლიან ნახშირბადის სხვა ატომს, წარმოქმნის სხვა CO2 და სუცინატი და ასევე ქმნის ATP მოლეკულას. იქიდან ოთხი ნახშირბადის სუქცინატის მოლეკულა გარდაიქმნება ფუმარატად, მალატად და ოქსალოაცეტად. ეს რეაქციები ხედავს წყალბადის იონებს ამ მოლეკულებიდან ამოღებულ და მაღალენერგეტიკული ელექტრონული მატარებლებისაკენ NAD + და FAD + და ქმნის NADH და FADH2 შესაბამისად, რაც არსებითად შენიღბულად წარმოადგენს ენერგეტიკულ "ქმნილებას", როგორც ამას მალე ნახავთ. კრებსის ციკლის ბოლოს, თავდაპირველმა გლუკოზის მოლეკულამ წარმოშვა 10 NADH და ორი FADH2 მოლეკულები.
კრებსის ციკლის რეაქციებში წარმოიქმნება მხოლოდ ორი მოლეკულა ATP თითო ორიგინალური გლუკოზის მოლეკულაზე, ერთი ციკლის თითოეული „ბრუნვისთვის“. ეს ნიშნავს, რომ გლიკოლიზში წარმოქმნილი ორი ATP- ს გარდა, კრებსის ციკლის შემდეგ, შედეგია სულ ოთხი ATP. მაგრამ აერობული სუნთქვის რეალური შედეგები ჯერ ამ ეტაპზე არ განვითარდა.
ელექტრონების სატრანსპორტო ჯაჭვი
ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვი, რომელიც ხდება შიდა მიტოქონდრიული მემბრანის კრისტებზე, არის უჯრედული სუნთქვის პირველი ეტაპი, რომელიც აშკარად ეყრდნობა ჟანგბადს. NADH და FADH2 კრებსის ციკლში წარმოებული ახლა მზად არის ენერგიის გათავისუფლებას ძირითადი გზით.
როგორც ეს ხდება, არის ის, რომ წყალბადის იონები ინახება ამ ელექტრონის გადამზიდავ მოლეკულაზე (წყალბადის იონს შეუძლია ახლანდელი მიზნები, ჩაითვლება ელექტრონულ წყვილად, რადგან მისი წვლილი შეაქვს სუნთქვის ამ ნაწილში) გამოიყენება შექმენი ქიმიოსმოსური გრადიენტი. თქვენ ალბათ გსმენიათ კონცენტრაციის გრადიენტი, რომელშიც მოლეკულები მოედინება უფრო მაღალი კონცენტრაციის რეგიონებიდან ქვედა კონცენტრაციის ადგილები, მაგალითად, შაქრის კუბი, რომელიც წყალში იხსნება და შაქრის ნაწილაკები იფანტება მთელი. ქიმიოსმოსური გრადიენტით, ელექტრონები NADH და FADH– დან2 ქარის გადატანა ხდება მემბრანაში ჩასმული ცილების მიერ და ემსახურება როგორც ელექტრონების გადაცემის სისტემებს. ამ პროცესში გამოყოფილი ენერგია გამოიყენება წყალბადის იონების გარსის გადასატუმბად და მის გარშემო კონცენტრაციის გრადიენტის შესაქმნელად. ეს მივყავართ წყალბადის ატომების წმინდა ნაკადს ერთი მიმართულებით და ეს დინება გამოიყენება ფერმენტის გასამუშავებლად, სახელწოდებით ATP სინტაზა, რომელიც ქმნის ATP– ს ADP– დან და P– დან. წარმოიდგინეთ ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვი, როგორც ის, რაც წყლის საჭეს უკან დიდი წონის წყალს უდევს, რომლის შემდგომი ბრუნვით ნივთების ასაშენებლად გამოიყენება.
ეს შემთხვევით არ არის იგივე პროცესი, რომელიც გამოიყენება ქლოროპლასტებში გლუკოზის სინთეზის ასამაღლებლად. ქლოროპლასტური გარსის გრადიენტის შესაქმნელად ენერგიის წყარო ამ შემთხვევაში არ არის NADH და FADH2, მაგრამ მზის შუქი. წყალბადის იონების შემდგომი ნაკადი ქვედა H + იონის კონცენტრაციის მიმართულებით გამოიყენება ნახშირბადის უფრო დიდი მოლეკულების სინთეზისთვის უფრო მცირედან, დაწყებული CO2 და მთავრდება C6ჰ12ო6.
ენერგია, რომელიც ქიმიოსმოსური გრადიენტიდან მოედინება, გამოიყენება არა მხოლოდ ATP– ის წარმოებისთვის, არამედ სხვა სასიცოცხლო უჯრედული პროცესებისთვის, როგორიცაა ცილების სინთეზი. ელექტრონების ტრანსპორტირების ჯაჭვის შეწყვეტის შემთხვევაში (ისევე როგორც ჟანგბადის გახანგრძლივება), ამ პროტონის გრადიენტის შენარჩუნება შეუძლებელია და ფიჭური ენერგიის წარმოება წყდება, ისევე როგორც წყლის ბორბალი წყვეტს დინებას, როდესაც მის გარშემო წყალს აღარ აქვს წნევის დინება გრადიენტი
რადგან ექსპერიმენტულად ნაჩვენებია თითოეული NADH მოლეკულის წარმოება დაახლოებით სამი მოლეკულა ATP და თითოეული FADH2 აწარმოებს ATP– ს ორ მოლეკულას, ელექტრონულ – სატრანსპორტო ჯაჭვური რეაქციით გამოყოფილი ენერგია არის (წინა ნაწილის მითითება) 10 – ჯერ 3 (NADH– სთვის) პლუს 2 – ჯერ 2 (FADH– სთვის)2) ჯამში 34 ATP. დაამატეთ ეს 2 ATP– ს გლიკოლიზისა და 2 – ს კრებსის ციკლისგან, და სწორედ აქედან მოდის 38 ATP ფიგურა აერობული სუნთქვის განტოლებაში.