Kaip ląstelės surenka ląstelių kvėpavimo metu išsiskiriančią energiją?

Gyvi organizmai sudaro energijos grandinę, kurioje augalai gamina maistą, kurį gyvūnai ir kiti organizmai naudoja energijai. Pagrindinis procesas, gaminantis maistą, yra fotosintezė augaluose ir pagrindinis maisto pavertimo energija metodas yra ląstelių kvėpavimas.

TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)

Ląstelių naudojama energiją perduodanti molekulė yra ATP. Ląstelinio kvėpavimo procesas paverčia molekulę ADP į ATP, kur kaupiama energija. Tai vyksta per trijų pakopų glikolizės procesą, citrinos rūgšties ciklą ir elektronų perdavimo grandinę. Ląstelių kvėpavimas skaido ir oksiduoja gliukozę, kad susidarytų ATP molekulės.

Fotosintezės metu augalai užfiksuoja šviesos energiją ir panaudoja ją augalų ląstelėse vykstančioms cheminėms reakcijoms. Šviesos energija leidžia augalams susidaryti ore esančią anglies dioksidą su vandeniliu ir vandens deguonį gliukozės.

Į ląstelinis kvėpavimasorganizmai, tokie kaip gyvūnai, valgo maistą, kuriame yra gliukozės, ir skaido gliukozę į energiją, anglies dioksidą ir vandenį. Anglies dioksidas ir vanduo iš organizmo pašalinami, o energija kaupiama vadinamoje molekulėje

Gyvi organizmai yra arba vienos ląstelės prokariotai arba eukariotai, kurie gali būti vienaląsčiai arba daugialąsčiai. Pagrindinis skirtumas tarp jų yra tas, kad prokariotai turi paprastą ląstelių struktūrą, be branduolio ar ląstelės organelių. Eukariotai visada turi a branduolys ir sudėtingesni ląstelių procesai.

Abiejų tipų vienos ląstelės organizmai energijai gaminti gali naudoti kelis metodus, be to, daugelis naudoja ląstelių kvėpavimą. Pažangūs augalai ir gyvūnai yra visi eukariotai ir jie beveik visiškai naudoja ląstelių kvėpavimą. Augalai naudoja fotosintezę, kad užfiksuotų saulės energiją, tačiau didžiąją šios energijos dalį kaupia gliukozės pavidalu.

Tiek augalai, tiek gyvūnai naudoja fotosintezės metu gautą gliukozę kaip energijos šaltinis.

Fotosintezės metu susidaro gliukozė, tačiau gliukozė yra tik būdas kaupti cheminę energiją, jos ląstelės negali tiesiogiai naudoti. Bendras fotosintezės procesas gali būti apibendrintas pagal šią formulę:

6CO₂ + 12H₂O + šviesos energija → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Augalai konversijai naudoja fotosintezę šviesos energija į cheminę energiją ir jie kaupia cheminę energiją gliukozėje. Norint panaudoti sukauptą energiją, reikia antro proceso.

Ląstelinis kvėpavimas paverčia gliukozėje sukauptą cheminę energiją į ATP molekulėje sukauptą cheminę energiją. ATP visos ląstelės naudoja savo medžiagų apykaitai ir veiklai skatinti. Raumenų ląstelės yra vienos iš ląstelių, kurios energijai naudoja gliukozę, bet pirmiausia ją paverčia ATP.

Bendra cheminė ląstelių kvėpavimo reakcija yra tokia:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP molekulės

Ląstelės skaido gliukozę į anglies dioksidą ir vandenį, tuo pačiu gamindamos energiją, kurią kaupia ATP molekulėse. Tada jie naudoja ATP energiją tokioms veikloms kaip raumenų susitraukimas. Pilnas korinio kvėpavimo procesas turi trys etapai.

Gliukozė yra angliavandeniai, turintys šešis anglies atomus. Pirmojo ląstelinio kvėpavimo proceso etapo metu vadinamas glikolizė, ląstelė skaido gliukozės molekules į dvi piruvato arba trijų anglių molekules. Norint pradėti procesą, reikia energijos, todėl iš ląstelės atsargų naudojamos dvi ATP molekulės.

Proceso pabaigoje, kai sukuriamos dvi piruvato molekulės, energija išsiskiria ir kaupiama keturiose ATP molekulėse. Glikolizės metu naudojamos dvi ATP molekulės ir kiekvienai apdorotai gliukozės molekulei gaunamos keturios. Grynasis pelnas yra dvi ATP molekulės.

Glikolizė prasideda ląstelės citoplazmoje, tačiau ląstelės kvėpavimo procesas daugiausia vyksta mitochondrijos. Ląstelės, kurios energijai naudoja gliukozę, apima beveik visas žmogaus kūno ląsteles, išskyrus labai specializuotas ląsteles, tokias kaip kraujo ląstelės.

Mitochondrijos yra mažos su membrana susijusios organelės ir ląstelių gamyklos, gaminančios ATP. Jie turi lygią išorinę membraną ir labai sulankstytą vidinė membrana kur vyksta korinio kvėpavimo reakcijos.

Reakcijos pirmiausia vyksta mitochondrijų viduje, kad būtų sukurtas energijos gradientas per vidinę membraną. Vėlesnės reakcijos, susijusios su membrana, gamina energiją, naudojamą ATP molekulėms sukurti.

Glikolizės metu gautas piruvatas nėra galutinis ląstelių kvėpavimo produktas. Antrasis etapas perdirba dvi piruvato molekules į kitą tarpinę medžiagą, vadinamą acetilo CoA. Acetilo CoA patenka į citrinos rūgšties ciklas o anglies atomai iš pradinės gliukozės molekulės yra visiškai paversti CO₂. The citrinos rūgštis šaknis yra perdirbama ir susiejama su nauja acetil CoA molekule, kad procesas būtų pakartotas.

Dėl anglies atomų oksidacijos susidaro dar dvi ATP molekulės ir paverčiami fermentai NAD⁺ ir FAD į NADH ir FADH₂. Konvertuoti fermentai naudojami trečiame ir paskutiniame korinio kvėpavimo etape, kur jie veikia kaip elektronų donorai elektronų transportavimo grandinei.

ATP molekulės surenka dalį pagamintos energijos, tačiau didžioji dalis cheminės energijos lieka NADH molekulėse. Citrinų rūgšties ciklo reakcijos vyksta mitochondrijų viduje.

The elektronų perdavimo grandinė (ETC) susideda iš junginių, esančių ant vidinės mitochondrijų membranos, serijos. Jis naudoja NADH ir FADH elektronus₂ fermentai, kuriuos gamina citrinos rūgšties ciklas, per protoną pumpuojantis per membraną.

Reakcijų grandinėje didelės energijos elektronai iš NADH ir FADH₂ yra perduoti ETC junginių serijas, kurių kiekvienas žingsnis lemia mažesnę elektronų energijos būseną ir protonai pumpuojami per membraną.

Pasibaigus ETC reakcijoms, deguonies molekulės priima elektronus ir sudaro vandens molekules. Elektronų energija, iš pradžių gaunama suskaidant ir oksiduojant gliukozės molekulę, buvo paversta a protonų energijos gradientas per vidinę mitochondrijų membraną.

Kadangi protonų pusiausvyros sutrikimas yra vidinėje membranoje, protonai patiria jėgą, kuri difunduoja atgal į mitochondrijų vidų. Fermentas vadinamas ATP sintazė yra įdėtas į membraną ir sukuria angą, leidžiančią protonams judėti atgal per membraną.

Kai protonai praeina per ATP sintazės angą, fermentas naudoja protonų energiją ATP molekulėms sukurti. Didžioji dalis ląstelių kvėpavimo energijos gaunama šiame etape ir kaupiama 32 ATP molekulėse.

ATP yra sudėtinga organinė cheminė medžiaga, turinti adenino bazę ir tris fosfatų grupes. Energija kaupiama junginiuose, laikančiuose fosfato grupes. Kai ląstelei reikia energijos, ji nutraukia vieną iš fosfatų grupių ryšių ir panaudoja cheminę energiją, kad sukurtų naujas jungtis kitose ląstelių medžiagose. ATP molekulė tampa adenozino difosfatas arba ADP.

Ląstelinio kvėpavimo metu išsiskyrusi energija naudojama fosfatų grupei pridėti prie ADP. Pridedant fosfatų grupės, surenkama energija iš glikolizės, citrinos rūgšties ciklo ir didelis energijos kiekis iš ETC. Gautas ATP molekules organizmas gali naudoti tokioms veikloms kaip judėjimas, maisto ieškojimas ir dauginimasis.