철학자 Bertrand Russell은 "모든 생명체는 일종의 제국주의 자이며 가능한 한 많은 것을 변화 시키려합니다. 은유를 제쳐두고, 세포 호흡은 생명체가 궁극적으로 수행하는 공식적인 방법입니다. 이. 세포 호흡은 외부 환경 (공기 및 탄소원)에서 포착 된 물질을 가져옵니다. 더 많은 세포와 조직을 만들고 생명을 유지하기위한 에너지로 변환합니다. 활동. 또한 폐기물과 물을 생성합니다. 이것은 일상적인 의미에서 "호흡"과 혼동되어서는 안됩니다. 일반적으로 "호흡"과 같은 의미입니다. 호흡은 어떻게 유기체는 산소를 얻지 만 이것은 산소를 처리하는 것과 같지 않으며 호흡은 또한 필요한 탄소를 공급할 수 없습니다. 호흡; 적어도 동물에서는 식단이이를 처리합니다.
세포 호흡은 식물과 동물 모두에서 발생하지만, 부족한 원핵 생물 (예: 박테리아)에서는 발생하지 않습니다. 미토콘드리아와 다른 세포 기관은 산소를 사용할 수 없어 에너지로서 해당 과정을 제한합니다. 출처. 식물은 아마도 호흡보다 광합성과 더 일반적으로 관련이 있지만 광합성은 식물 세포 호흡을위한 산소 공급원은 물론 식물에서 나오는 산소 공급원으로 동물. 두 경우 모두에서 궁극적 인 부산물은 생물체의 주요 화학 에너지 운반자 인 ATP 또는 아데노신 삼인산입니다.
세포 호흡 방정식
종종 호기성 호흡이라고 불리는 세포 호흡은 산소가있을 때 포도당 분자가 완전히 분해되어 이산화탄소와 물을 생성하는 것입니다.
씨6H12영형6 + 6O2 + 38 ADP +38 P –> 6CO2 + 6H2O + 38 ATP + 420 Kcal
이 방정식에는 산화 성분 (C6H12영형6 –> 6CO2), 본질적으로 수소 원자 형태의 전자 제거. 또한 감소 구성 요소 인 6O가 있습니다.2 –> 6H2O는 수소 형태의 전자를 추가하는 것입니다.
전체 방정식이 해석하는 것은 반응물의 화학 결합에 보유 된 에너지가 아데노신이 인산 (ADP)을 유리 인 원자 (P)에 연결하여 아데노신 삼인산을 생성하는 데 사용 (ATP).
전체 과정에는 여러 단계가 포함됩니다. Glycolysis가 세포질에서 일어나고 Krebs가 뒤 따릅니다. 미토콘드리아 기질과 미토콘드리아 막에서주기와 전자 수송 사슬 각기.
당분 해 과정
식물과 동물 모두에서 포도당 분해의 첫 번째 단계는 해당 과정으로 알려진 일련의 10 가지 반응입니다. 포도당은 포도당 분자로 분해되는 음식을 통해 외부에서 동물 세포로 들어갑니다. 혈액에서 순환하며 에너지가 가장 필요한 조직 ( 뇌). 대조적으로 식물은 외부에서 이산화탄소를 흡수하고 광합성을 통해 CO를 전환하여 포도당을 합성합니다.2 포도당에. 이 시점에서 그것이 어떻게 거기에 도착했는지에 관계없이 모든 포도당 분자는 동일한 운명에 투입됩니다.
해당 과정의 초기에, 6 탄소 포도당 분자는 인산화되어 세포 내부에 가두어집니다. 인산염은 음전하를 띠기 때문에 비극성, 충전되지 않은 분자처럼 세포막을 통과 할 수 없습니다. 두 번째 인산염 분자가 추가되어 분자가 불안정 해지고 곧 두 개의 동일하지 않은 3 개의 탄소 화합물로 절단됩니다. 이들은 곧 온 화학적 형태를 가정하고 일련의 단계로 재 배열되어 궁극적으로 두 분자의 피루 베이트. 그 과정에서 두 분자의 ATP가 소비됩니다 (초기에 포도당에 첨가 된 두 개의 인산염을 공급합니다). 그리고 4 개의 탄소가 3 개의 탄소 공정에 의해 2 개씩 생성되어 분자 당 2 개의 ATP 분자의 그물을 생성합니다. 포도당.
박테리아에서는 해당 과정만으로도 세포의 에너지 필요에 충분합니다. 그러나 식물과 동물에서는 그렇지 않으며, 피루 베이트의 경우 포도당의 궁극적 인 운명이 거의 시작되지 않았습니다. 해당 과정 자체에는 산소가 필요하지 않지만 일반적으로 산소는 호기성 호흡과 세포 호흡에 대한 논의는 합성에 필요하기 때문입니다. 피루 베이트.
미토콘드리아 대. 엽록체
생물학 애호가들 사이의 일반적인 오해는 엽록체가 식물에서 미토콘드리아가 동물에서하는 것과 동일한 기능을하고 각 유형의 유기체가 하나 또는 다른 것을 가지고 있다는 것입니다. 이것은 그렇지 않습니다. 식물에는 엽록체와 미토콘드리아가 모두있는 반면 동물에는 미토콘드리아 만 있습니다. 식물은 엽록체를 발전기로 사용합니다. 작은 탄소원 (CO2) 더 큰 포도당 (포도당)을 만듭니다. 동물 세포는 탄수화물, 단백질 및 지방과 같은 거대 분자를 분해하여 포도당을 얻으므로 내부에서 포도당을 생성 할 필요가 없습니다. 이것은 식물의 경우 이상하고 비효율적으로 보일 수 있지만, 식물은 동물이 가지고 있지 않은 한 가지 특징을 진화 시켰습니다. 바로 대사 기능에 직접 사용하기 위해 햇빛을 이용하는 능력입니다. 이를 통해 식물은 말 그대로 자신의 음식을 만들 수 있습니다.
미토콘드리아는 수억 년 전에 일종의 독립된 박테리아로 여겨지고 있습니다. 박테리아뿐만 아니라 신진 대사 기계와 구조적으로 매우 유사하며 자체 DNA와 소기관이 존재합니다. 리보솜. 진핵 생물은 10 억년 전에 한 세포가 다른 세포를 빨아 들였을 때 처음으로 생겨났습니다 (내 공생 가설). 확장 된 에너지 생산으로 인해이 배열에서 잉글 퍼에게 매우 유익한 배열로 이어집니다. 능력. 미토콘드리아는 세포 자체처럼 이중 원형질막으로 구성됩니다. 내부 막에는 cristae라는 주름이 있습니다. 미토콘드리아의 내부 부분은 매트릭스로 알려져 있으며 전체 세포의 세포질과 유사합니다.
미토콘드리아와 같은 엽록체는 외부 및 내부 막과 자체 DNA를 가지고 있습니다. 내부 멤브레인으로 둘러싸인 공간 내부에는 틸라코이드라고하는 상호 연결되고 층을 이루며 유체로 채워진 멤브레인 파우치가 있습니다. 틸라코이드의 각 "스택"은 granum (복수: grana)을 형성합니다. 그라나를 둘러싸고있는 내막 내의 유체를 간질이라고합니다.
엽록체에는 엽록소라는 색소가 포함되어있어 식물에 녹색을 부여하고 광합성을위한 햇빛 수집가 역할을합니다. 광합성의 방정식은 세포 호흡의 방정식과 정확히 반대이지만, 각 단계는 이산화탄소에서 포도당으로의 전환은 전자 수송 사슬, 크렙스 회로의 역반응과 전혀 유사하지 않습니다. 해당 작용.
크렙스 사이클
트리 카르 복실 산 (TCA) 회로 또는 구연산 회로라고도하는이 과정에서 피루 베이트 분자는 먼저 아세틸 코엔자임 A (아세틸 CoA)라고하는 탄소 2 개 분자로 전환됩니다. 이것은 CO 분자를 방출합니다2. 그런 다음 아세틸 CoA 분자는 미토콘드리아 매트릭스로 들어가고, 각각의 분자는 옥 살로 아세테이트의 탄소 4 개 분자와 결합하여 시트르산을 형성합니다. 따라서 신중하게 계산하면 Krebs주기가 시작될 때 포도당 한 분자가 구연산 두 분자를 생성합니다.
탄소 6 개 분자 인 시트르산은 이소 시트 레이트로 재 배열 된 다음 탄소 원자가 제거되어 CO와 함께 케 토글 루타 레이트를 형성합니다.2 사이클을 종료합니다. Ketoglutarate는 차례로 다른 탄소 원자를 제거하여 또 다른 CO를 생성합니다.2 및 숙시 네이트 및 또한 ATP 분자를 형성합니다. 거기에서 4- 탄소 숙시 네이트 분자는 순차적으로 푸마 레이트, 말 레이트 및 옥 살로 아세테이트로 변환됩니다. 이러한 반응은 이러한 분자에서 수소 이온이 제거되고 고 에너지 전자 캐리어 NAD + 및 FAD +에 부착되어 NADH 및 FADH를 형성하는 것을 확인합니다.2 곧 보게 되겠지만, 이것은 본질적으로 변장 된 에너지 "창조"입니다. 크렙스주기가 끝나면 원래의 포도당 분자는 10 개의 NADH와 2 개의 FADH를 생성했습니다.2 분자.
Krebs주기의 반응은 원래 포도당 분자 당 ATP 분자를 2 개만 생성하며, 주기의 "턴"마다 하나씩 생성됩니다. 이는 해당 과정에서 생성 된 2 개의 ATP에 추가하여 Krebs주기 후에 결과가 총 4 개의 ATP가된다는 것을 의미합니다. 그러나 호기성 호흡의 실제 결과는 아직이 단계에서 드러나지 않았습니다.
전자 수송 사슬
내부 미토콘드리아 막의 크리스타에서 발생하는 전자 수송 사슬은 명시 적으로 산소에 의존하는 세포 호흡의 첫 번째 단계입니다. NADH와 FADH2 크렙스 사이클에서 생산 된 제품은 이제 주요 방식으로 에너지 방출에 기여할 준비가되어 있습니다.
이런 일이 일어나는 방식은 이러한 전자 운반 분자에 저장된 수소 이온 (수소 이온은 현재 목적, 호흡의이 부분에 대한 기여 측면에서 전자쌍으로 간주) 창조하다 화학 삼투 성 구배. 분자가 더 높은 농도의 영역에서 다음으로 흐르는 농도 구배에 대해 들어 보셨을 것입니다. 설탕 큐브가 물에 용해되고 설탕 입자가 분산되는 등 농도가 낮은 영역 전역. 그러나 화학 삼투 성 구배에서 NADH와 FADH의 전자는2 막에 박힌 단백질에 의해 전달되어 전자 전달 시스템 역할을합니다. 이 과정에서 방출 된 에너지는 멤브레인을 가로 질러 수소 이온을 펌핑하고이를 가로 질러 농도 구배를 생성하는 데 사용됩니다. 이것은 한 방향으로 수소 원자의 순 흐름을 유도하고, 이 흐름은 ADP와 P에서 ATP를 만드는 ATP 합성 효소라는 효소에 동력을 공급하는 데 사용됩니다. 전자 수송 사슬을 물레 방아 뒤에 많은 양의 물을 넣는 것으로 생각하십시오. 그 후의 회전은 물건을 만드는 데 사용됩니다.
이것은 우연이 아니라 포도당 합성을 강화하기 위해 엽록체에서 사용되는 것과 동일한 과정입니다. 엽록체 막을 가로 질러 구배를 만드는 에너지 원은이 경우 NADH 및 FADH가 아닙니다.2, 그러나 햇빛. 낮은 H + 이온 농도의 방향으로 수소 이온의 후속 흐름은 CO로 시작하여 더 작은 탄소 분자에서 더 큰 탄소 분자를 합성하는 데 사용됩니다.2 그리고 C로 끝남6H12영형6.
화학 삼투압 구배에서 흐르는 에너지는 ATP 생산뿐만 아니라 단백질 합성과 같은 다른 중요한 세포 과정에 동력을 공급하는 데 사용됩니다. 전자 수송 사슬이 중단되면 (오래된 산소 부족과 마찬가지로)이 양성자 구배는 유지 될 수 없으며 주변의 물에 더 이상 압력 흐름이 없을 때 물레 방아가 흐르지 않는 것처럼 세포 에너지 생산이 중지됩니다. 구배.
각 NADH 분자는 약 3 개의 ATP 분자와 각 FADH를 생성하는 것으로 실험적으로 나타났기 때문입니다.2 두 분자의 ATP를 생성하며, 전자 수송 연쇄 반응에 의해 방출되는 총 에너지는 10 x 3 (NADH의 경우) + 2 x 2 (FADH의 경우)입니다.2) 총 34 ATP입니다. 이것을 해당 과정의 2 ATP와 Krebs주기의 2에 더하면 호기성 호흡 방정식에서 38 ATP 수치가 나온 것입니다.