종종 "세포 호흡"과 같은 의미로 사용되는 용어 인 호기성 호흡은 생물체를위한 놀랍도록 높은 수확량의 방법입니다. 산소의 존재 하에서 탄소 화합물의 화학적 결합에 저장된 에너지를 추출하고, 이 추출 된 에너지를 대사에 사용 프로세스. 진핵 생물 (즉, 동물, 식물 및 균류)은 주로 미토콘드리아라고하는 세포 소기관의 존재 덕분에 호기성 호흡을 사용합니다. 일부 원핵 생물 (즉, 박테리아)은 더 기본적인 호기성 호흡 경로를 사용합니다. 하지만 일반적으로 "호기성 호흡"을 볼 때 "다세포 진핵 생물"이라고 생각해야합니다. 유기체."
그러나 그것이 당신의 마음에 떠오르는 모든 것이 아닙니다. 다음은 호기성 호흡의 기본 화학적 경로에 대해 알아야 할 모든 것을 알려줍니다. 이러한 필수적인 일련의 반응과 생물학적, 지질 학적 과정에서 어떻게 시작되었는지 역사.
호기성 호흡의 화학적 요약
모든 세포 영양소 대사는 포도당 분자로 시작됩니다. 이 6 탄당은 포도당 자체가 단순한 탄수화물이지만 세 가지 다량 영양소 (탄수화물, 단백질 및 지방)의 모든 식품에서 파생 될 수 있습니다. 산소가있는 상태에서 포도당은 변형되어 약 20 개의 반응으로 분해되어 이산화탄소, 물, 열, 36 또는 38 분자의 아데노신 삼인산 (ATP),이 분자는 모든 생물체의 세포에서 직접 연료. 호기성 호흡에 의해 생성되는 ATP 양의 변화는 식물 세포가 때때로 하나의 포도당 분자에서 38 개의 ATP를 짜내는 반면 동물 세포는 포도 당당 36 개의 ATP를 생성합니다. 분자. 이 ATP는 유리 인산염 분자 (P)와 아데노신이 인산염 (ADP)을 거의 모든 이것은 전자 수송의 반응에서 호기성 호흡의 후반 단계에서 발생합니다. 체인.
호기성 호흡을 설명하는 완전한 화학 반응은 다음과 같습니다.
씨6H12영형6 + 36 (또는 38) ADP + 36 (또는 38) P + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 420 kcal + 36 (또는 38) ATP.
반응 자체는이 형태로 충분히 간단 해 보이지만, 방정식 (반응물)의 왼쪽에서 오른쪽 (420 킬로 칼로리의 해방 된 제품을 포함한 제품) 열). 관례 적으로 전체 반응 모음은 각 반응이 발생하는 위치에 따라 세 부분으로 나뉩니다. 해당 과정 (세포질), 크렙스 회로 (미토콘드리아 기질) 및 전자 수송 사슬 (내부 미토콘드리아 막). 그러나 이러한 과정을 자세히 살펴보기 전에 호기성 호흡이 지구에서 어떻게 시작되었는지 살펴보아야합니다.
지구의 기원 또는 호기성 호흡
호기성 호흡의 기능은 세포와 조직의 복구, 성장 및 유지를위한 연료를 공급하는 것입니다. 이것은 호기성 호흡이 진핵 생물을 살아있게한다는 점을 지적하는 다소 공식적인 방법입니다. 대부분의 경우 음식없이 며칠을, 물없이 며칠을 보낼 수 있지만 산소 없이는 몇 분 밖에 걸리지 않습니다.
산소 (O)는 정상 공기에서 이원자 형태로 발견됩니다.2. 이 원소는 어떤 의미에서는 1600 년대에 공기에 원소가 포함되어 있다는 것이 과학자들에게 명백해 졌을 때 발견되었습니다. 폐쇄 된 환경에서 화염에 의해 또는 장기간에 걸쳐 고갈 될 수있는 동물의 생존에 필수적입니다. 호흡.
산소는 호흡하는 가스 혼합물의 약 5 분의 1을 구성합니다. 그러나 행성의 45 억년 역사에서 항상 이런 식은 아니 었습니다. 시간이 지남에 따라 지구 대기에있는 산소의 양은 생물학적 진화. 행성의 현재 생애의 전반기 동안 아니 공기 중의 산소. 17 억년 전까지 대기는 4 %의 산소로 구성되었고 단세포 생물이 나타났습니다. 7 억년 전에 O2 공기의 10 ~ 20 %를 차지했으며 더 큰 다세포 생물이 나타났습니다. 3 억년 전 현재 산소 함량은 공기의 35 %로 증가했으며 이에 따라 공룡과 기타 매우 큰 동물이 표준이었습니다. 나중에 O가 보유한 공기의 몫2 15 %로 떨어졌고 다시 오늘날의 상태로 올라갔습니다.
이 패턴 만 추적하면 산소의 궁극적 인 기능이 동물을 크게 자라게하는 것이 과학적으로 매우 가능성이 높은 것으로 보입니다.
당분 해: 보편적 인 출발점
해당 과정의 10 가지 반응은 그 자체로 진행하는 데 산소가 필요하지 않으며, 해당 과정은 원핵 생물과 진핵 생물 모두 모든 생물에서 어느 정도 발생합니다. 그러나 해당 작용은 세포 호흡의 특정 호기성 반응에 필요한 전구체이며 일반적으로 이것들과 함께 설명됩니다.
육각형 고리 구조를 가진 6 개의 탄소 분자 인 포도당이 세포의 세포질로 들어가면 즉시 인산화되어 탄소 중 하나에 인산염 그룹이 붙어 있습니다. 이것은 순 음전하를 줘서 세포 내부의 포도당 분자를 효과적으로 포획합니다. 그런 다음 분자는 또 다른 인산염이 분자에 추가되기 전에 원자의 손실 또는 획득없이 인산화 된 과당으로 재 배열됩니다. 이것은 분자를 불안정하게 만들고, 그 후 한 쌍의 탄소 3 개 화합물로 분해되며, 각 화합물에는 자체 인산염이 부착되어 있습니다. 이들 중 하나는 다른 것으로 변환되고, 일련의 단계에서 두 개의 탄소 3 개 분자는 인산염을 ADP (adenosine diphosphate) 분자로 포기하여 2 개의 ATP를 생성합니다. 원래의 6 개 탄소 포도당 분자는 피루 베이트라고하는 3 개 탄소 분자의 두 분자로 감겨지며, 추가로 NADH의 두 분자 (나중에 자세히 논의 됨)가 생성됩니다.
크렙스 사이클
피루 베이트는 산소가있는 상태에서 세포 소기관의 매트릭스 ( "중간"로 생각)로 이동합니다. 미토콘드리아라고하며 탄소가 2 개인 화합물 인 아세틸 코엔자임 A (아세틸 CoA). 이 과정에서 이산화탄소 분자 (CO2). 이 과정에서 NAD 분자는+ (소위 고 에너지 전자 운반체)는 NADH로 변환됩니다.
구연산 순환 또는 트리 카르 복실 산 순환이라고도하는 크렙스 순환은 반응 이라기보다는 순환이라고합니다. 그 제품 중 하나 인 4 개의 탄소 분자 인 옥 살로 아세테이트는 다음의 분자와 결합하여주기의 시작에 다시 들어가기 때문입니다. 아세틸 CoA. 그 결과 구연산염이라고 불리는 6 개의 탄소 분자가 생성됩니다. 이 분자는 일련의 효소에 의해 알파-케 토글 루타 레이트 (alpha-ketoglutarate)라고하는 5 개의 탄소 화합물로 조작되며, 이 화합물은 또 다른 탄소를 잃어 숙시 네이트를 생성합니다. 탄소가 손실 될 때마다 CO의 형태입니다.2, 이러한 반응이 에너지 적으로 유리하기 때문에 각 이산화탄소 손실은 또 다른 NAD의 전환을 동반합니다.+ NAD에. 석시 네이트의 형성은 또한 ATP 분자를 생성합니다.
숙시 네이트는 푸마 레이트로 전환되어 FADH 1 분자를 생성합니다.2 FAD에서2+ (NAD와 유사한 전자 운반체+ 기능). 이것은 말 레이트로 전환되어 또 다른 NADH를 생성하고, 이는 옥 살로 아세테이트로 변형됩니다.
점수를 유지하는 경우 3 NADH, 1 FADH를 계산할 수 있습니다.2 그리고 Krebs 사이클의 턴당 1 ATP. 그러나 각 포도당 분자는 순환에 들어가기 위해 두 분자의 아세틸 CoA를 공급하므로 합성되는 이러한 분자의 총 수는 6 NADH, 2 FADH입니다.2 및 2 ATP. 따라서 Krebs 회로는 직접적으로 많은 에너지를 생성하지 않습니다.-상류에 공급되는 포도당 분자 당 2 ATP 만-산소도 필요하지 않습니다. 하지만 NADH와 FADH2 에 중요합니다 산화 적 인산화 총칭하여 전자 수송 사슬이라고 불리는 다음 일련의 반응의 단계.
전자 수송 사슬
NADH 및 FADH의 다양한 분자2 세포 호흡의 이전 단계에서 생성 된 것은 크리스 태 (cristae)라고 불리는 내부 미토콘드리아 막의 주름에서 발생하는 전자 수송 사슬에 사용할 준비가되어 있습니다. 간단히 말해서 NAD에 부착 된 고 에너지 전자는+ 및 FAD2+ 막을 가로 질러 양성자 기울기를 만드는 데 사용됩니다. 이것은 단지 더 높은 농도의 양성자 (H+ 이온)이 다른 쪽보다 막의 한쪽면에 존재하며, 이러한 이온이 높은 양성자 농도 영역에서 낮은 양성자 농도 영역으로 흐르도록 자극합니다. 이런 식으로 양성자는 고도가 높은 지역에서 낮은 지역으로 이동하기를 "원하는"물과 거의 다르게 행동합니다. 농도 – 전자 수송에서 관찰되는 소위 화학 삼투압 구배 대신 중력의 영향으로 체인.
흐르는 물의 에너지를 활용하여 다른 곳에서 작업을 수행하는 (이 경우 전기를 생성하는) 수력 발전소의 터빈처럼 양성자가 생성 한 에너지의 일부 막을 가로 지르는 구배는 ADP 분자에 유리 인산염 그룹 (P)을 부착하여 ATP를 생성하기 위해 포착됩니다.이 과정은 인산화 (이 경우 산화 인산화). 사실, 이것은 모든 NADH와 FADH가2 해당 과정과 크렙스주기 (전자의 약 10 개와 후자의 두 개)가 활용됩니다. 이로 인해 포도당 분자 당 약 34 개의 ATP 분자가 생성됩니다. 해당 과정과 크렙스 사이클은 각각 포도당 분자 당 2 개의 ATP를 생성하기 때문에, 적어도 이상적인 조건에서 방출되는 에너지의 총량은 모두 34 + 2 + 2 = 38 ATP입니다.
전자 수송 사슬에는 양성자가 내부 미토콘드리아 막을 통과하여이 사이의 공간으로 들어갈 수있는 세 가지 지점이 있습니다. 나중에 그리고 외부 미토콘드리아 막, 그리고 네 개의 별개의 분자 복합체 (번호 I, II, III 및 IV)는 체인.
전자 수송 사슬에는 산소가 필요합니다.2 사슬에서 최종 전자쌍 수용체 역할을합니다. 산소가 존재하지 않으면 전자의 "하류"흐름이 중단되기 때문에 사슬의 반응이 빠르게 중단됩니다. 갈 곳이 없습니다. 전자 수송 사슬을 마비시킬 수있는 물질 중에는 시안화물 (CN-). 이것이 당신이 살인 쇼나 스파이 영화에서 치명적인 독으로 사용되는 시안화물을 본 이유입니다. 충분한 양을 투여하면 수용자 내부의 호기성 호흡이 중단되고 생명 자체도 멈 춥니 다.
식물의 광합성과 호기성 호흡
식물은 이산화탄소에서 산소를 생성하기 위해 광합성을하는 반면 동물은 호흡을 통해 산소에서 이산화탄소를 생성하여 생태계 전반에 걸쳐 보완적인 밸런스. 표면적으로는 사실이지만 식물은 광합성과 호기성 호흡을 모두 사용하기 때문에 오해의 소지가 있습니다.
식물은 먹을 수 없기 때문에 음식을 먹기보다는 만들어야합니다. 이것이 바로 엽록체라고 불리는 동물의 소기관에서 일어나는 일련의 반응 인 광합성의 목적입니다. 햇빛에 의해 구동, CO2 식물 세포 내부는 미토콘드리아의 전자 수송 사슬과 유사한 일련의 단계를 거쳐 엽록체 내부의 포도당으로 조립됩니다. 포도당은 엽록체에서 방출됩니다. 대부분 식물의 구조적 부분이되지만 일부는 해당 과정을 거쳐 식물 세포 미토콘드리아에 들어간 후 나머지 호기성 호흡을 통해 진행됩니다.
