Šūnu elpošana: definīcija, vienādojums un soļi

Filozofs Bertrands Rasels sacīja: "Katra dzīvā būtne ir sava veida imperiālists, kurš cenšas pēc iespējas vairāk pārveidoties "Metaforas malā, šūnu elpošana ir formāls veids, kā dzīvās būtnes galu galā rīkojas šo. Šūnu elpošana veic vielas, kas uztvertas no ārējās vides (gaisa un oglekļa avotiem) un pārvērš tos enerģijā, lai izveidotu vairāk šūnu un audu un veiktu dzīvības uzturēšanu aktivitātes. Tas arī rada atkritumu produktus un ūdeni. To nedrīkst sajaukt ar "elpošanu" ikdienas izpratnē, kas parasti nozīmē to pašu, ko "elpošana". Elpošana ir kā organismi iegūst skābekli, bet tas nav tas pats, kas skābekļa pārstrāde, un elpošana nevar piegādāt arī nepieciešamo oglekli elpošana; diēta par to rūpējas, vismaz dzīvniekiem.

Šūnu elpošana notiek gan augos, gan dzīvniekos, bet ne prokariotos (piemēram, baktērijās), kuru trūkst mitohondrijiem un citiem organoīdiem un tādējādi nevar izmantot skābekli, ierobežojot tos tikai ar glikolīzi kā enerģiju avots. Augi, iespējams, biežāk ir saistīti ar fotosintēzi, nevis ar elpošanu, bet fotosintēze ir skābekļa avots augu šūnu elpošanai, kā arī skābekļa avots, kas iziet no auga, ko var izmantot dzīvnieki. Abos gadījumos galīgais blakusprodukts ir ATP jeb adenozīna trifosfāts, primārais ķīmiskās enerģijas nesējs dzīvajās būtnēs.

Šūnu elpošana, ko bieži sauc par aerobo elpošanu, ir pilnīga glikozes molekulas sadalīšanās skābekļa klātbūtnē, lai iegūtu oglekļa dioksīdu un ūdeni:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P -> 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP + 420 Kcal

Šim vienādojumam ir oksidācijas sastāvdaļa (C₆H₁₂O₆ -> 6CO₂), būtībā elektronu atdalīšana ūdeņraža atomu veidā. Tam ir arī reducēšanas komponents 6O₂ -> 6H₂O, kas ir elektronu pievienošana ūdeņraža formā.

Ko vienādojums kopumā nozīmē, ka enerģija, kas atrodas reaģentu ķīmiskajās saitēs, ir izmanto, lai savienotu adenozīna difosfātu (ADP) ar brīvajiem fosfora atomiem (P), lai radītu adenozīna trifosfātu (ATP).

Process kopumā ietver vairākus posmus: glikolīze notiek citoplazmā, kam seko Krebs ciklu un elektronu transporta ķēdi mitohondriju matricā un uz mitohondriju membrānas attiecīgi.

Pirmais solis glikozes sadalīšanā gan augos, gan dzīvniekos ir 10 reakciju sērija, kas pazīstama kā glikolīze. Glikoze dzīvnieku šūnās nonāk no ārpuses, izmantojot pārtikas produktus, kas tiek sadalīti glikozes molekulās kas cirkulē asinīs un tiek uzņemti audos, kur enerģija ir visvairāk nepieciešama (ieskaitot smadzenes). Augi, gluži pretēji, sintezē glikozi, uzņemot oglekļa dioksīdu no ārpuses un izmantojot fotosintēzi, lai pārveidotu CO₂ līdz glikozei. Šajā brīdī, neatkarīgi no tā, kā tā tur nonāca, katra glikozes molekula ir apņēmusies to pašu likteni.

Glikolīzes sākumā sešu oglekļa glikozes molekula tiek fosforilēta, lai to notvertu šūnas iekšienē; fosfāti ir negatīvi lādēti un tāpēc nevar slīdēt cauri šūnu membrānai kā nepolāras, neuzlādētas molekulas dažreiz var. Pievieno otro fosfāta molekulu, kas padara molekulu nestabilu, un to drīz sašķeļ divos identiskos trīs oglekļa savienojumos. Tie drīz iegūst ķīmisko formu un tiek pārkārtoti vairākos posmos, lai galu galā iegūtu divas molekulas piruvāts. Pa ceļam tiek patērētas divas ATP molekulas (tās agri piegādā divus fosfātus, kas pievienoti glikozei) un četri tiek ražoti, pa diviem katrā trīs oglekļa procesā, lai iegūtu divas ATP molekulas vienā molekulā glikoze.

Baktērijās šūnas - un līdz ar to visa organisma - enerģijas vajadzībām pietiek tikai ar glikolīzi. Bet augiem un dzīvniekiem tā nav, un ar piruvātu glikozes galīgais liktenis tik tikko ir sācies. Jāatzīmē, ka pati glikolīze neprasa skābekli, bet skābeklis parasti tiek iekļauts diskusijas par aerobo elpošanu un līdz ar to arī šūnu elpošanu, jo tā ir nepieciešama sintezēšanai piruvāts.

Bioloģijas entuziastu vidū izplatīts nepareizs uzskats ir tāds, ka hloroplasti augos pilda to pašu funkciju, ko mitohondriji veic dzīvniekiem, un ka katram organisma tipam ir tikai viens vai otrs. Tas tā nav. Augos ir gan hloroplasti, gan mitohondriji, savukārt dzīvniekiem ir tikai mitohondriji. Augi izmanto hloroplastus kā ģeneratorus - tie izmanto nelielu oglekļa avotu (CO₂), lai izveidotu lielāku (glikozi). Dzīvnieku šūnas glikozi iegūst, sadalot makromolekulas, piemēram, ogļhidrātus, olbaltumvielas un taukus, un tāpēc tām nav jāveido glikoze no iekšpuses. Augu gadījumā tas var šķist dīvaini un neefektīvi, taču augiem ir izveidojusies viena iezīme, kuras dzīvniekiem nav: spēja izmantot saules gaismu tiešai izmantošanai vielmaiņas funkcijās. Tas ļauj augiem burtiski pagatavot savu pārtiku.

Tiek uzskatīts, ka mitohondriji ir bijuši sava veida brīvi stāvošas baktērijas pirms daudziem simtiem miljonu gadu, šo teoriju atbalsta viņu ievērojama strukturāla līdzība ar baktērijām, kā arī to vielmaiņas mehānismu un pašu DNS un organoīdu klātbūtni ribosomas. Eikarioti pirmo reizi radās pirms vairāk nekā miljarda gadu, kad vienai šūnai izdevās pārņemt otru (endosimbionta hipotēze), noveda pie vienošanās, kas bija ļoti izdevīga šīs vienošanās engulferam, pateicoties paplašinātai enerģijas ražošanai iespējas. Mitohondriji sastāv no dubultas plazmas membrānas, tāpat kā pašas šūnas; iekšējā membrāna ietver krokas, ko sauc par cristae. Mitohondriju iekšējā daļa ir pazīstama kā matrica un ir analoga veselu šūnu citoplazmai.

Hloroplastiem, tāpat kā mitohondrijiem, ir ārējā un iekšējā membrāna un savs DNS. Iekšējās membrānas norobežotajā telpā atrodas savstarpēji savienotu, slāņainu un ar šķidrumu pildītu membrānisko maisiņu klāsts, kurus sauc par tilakoīdiem. Katra tilakoīdu "kaudze" veido granulu (daudzskaitlī: grana). Šķidrumu iekšējā membrānā, kas ieskauj granu, sauc par stromu.

Hloroplasti satur pigmentu, ko sauc par hlorofilu, kas augiem piešķir gan zaļo krāsu, gan kalpo kā saules gaismas savācējs fotosintēzei. Fotosintēzes vienādojums ir tieši otrādi nekā šūnu elpošana, bet atsevišķi soļi, no kuriem iegūt oglekļa dioksīds pret glikozi nekādā ziņā nav līdzīgs elektronu transporta ķēdes, Krebsa cikla un glikolīze.

Šajā procesā, ko sauc arī par trikarboksilskābes (TCA) ciklu vai citronskābes ciklu, piruvāta molekulas vispirms tiek pārveidotas par divu oglekļa molekulām, ko sauc par acetilkoenzīmu A (acetil CoA). Tas atbrīvo CO molekulu₂. Acetil CoA molekulas pēc tam nonāk mitohondriju matricā, kur katra no tām apvienojas ar četru oglekļa oksaloacetāta molekulu, veidojot citronskābi. Tādējādi, ja jūs veicat rūpīgu uzskaiti, vienas glikozes molekulas rezultātā Krebsa cikla sākumā rodas divas citronskābes molekulas.

Citronskābe, sešu oglekļa molekula, tiek pārkārtota par izocitrātu, un pēc tam oglekļa atoms tiek atdalīts, veidojot ketoglutarātu ar CO₂ izejot no cikla. Savukārt ketoglutarātam atņem citu oglekļa atomu, radot citu CO₂ un sukcināts, kā arī veido ATP molekulu. No turienes četru oglekļa sukcināta molekula tiek secīgi pārveidota par fumarātu, malātu un oksaloacetātu. Šīs reakcijas redz ūdeņraža jonus, kas no šīm molekulām izņemti un piesaistīti augstas enerģijas elektronu nesējiem NAD + un FAD +, veidojot NADH un FADH₂ attiecīgi, kas būtībā ir maskēta enerģijas "radīšana", kā jūs drīz redzēsit. Krebsa cikla beigās sākotnējā glikozes molekula ir radījusi 10 NADH un divus FADH₂ molekulas.

Krebsa cikla reakcijas rada tikai divas ATP molekulas uz vienu sākotnējo glikozes molekulu, pa vienam katram cikla "pagriezienam". Tas nozīmē, ka papildus diviem ATP, kas rodas glikolīzē, pēc Krebsa cikla rezultāts ir kopumā četri ATP. Bet patiesie aerobās elpošanas rezultāti šajā posmā vēl nav atklājušies.

Elektronu transporta ķēde, kas notiek uz iekšējās mitohondriju membrānas cristae, ir pirmais solis šūnu elpošanā, kas skaidri paļaujas uz skābekli. NADH un FADH₂ Krebsa ciklā ražotie produkti tagad ir gatavi lielā mērā veicināt enerģijas izdalīšanos.

Veids, kā tas notiek, ir tas, ka ūdeņraža joni, kas uzkrāti uz šīm elektronu nesējmolekulām (ūdeņraža jons var, piemēram, uzskata par elektronu pāri, ņemot vērā tā ieguldījumu šajā elpošanas daļā) izveidot a chemiosmotic gradients. Jūs, iespējams, esat dzirdējuši par koncentrācijas gradientu, kurā molekulas plūst no reģioniem ar augstāku koncentrāciju uz zemākas koncentrācijas apgabali, piemēram, cukura kubs, kas izšķīst ūdenī, un cukura daļiņas izkliedējas visā. Hemiosmotiskā gradientā tomēr elektroni no NADH un FADH₂ līdz galam tiek nodoti proteīniem, kas iestrādāti membrānā un kalpo kā elektronu pārneses sistēmas. Šajā procesā izdalītā enerģija tiek izmantota ūdeņraža jonu sūknēšanai pa membrānu un visas koncentrācijas gradienta izveidošanai. Tas noved pie ūdeņraža atomu neto plūsmas vienā virzienā, un šo plūsmu izmanto, lai darbinātu fermentu, ko sauc par ATP sintāzi, kas ATP ražo no ADP un P. Iedomājieties elektronu transporta ķēdi kā kaut ko tādu, kas aiz ūdens riteņa liek lielu ūdens svaru, kura turpmāko rotāciju izmanto lietu būvēšanai.

Tas nav starp citu, tas pats process, ko hloroplastos izmanto glikozes sintēzes veicināšanai. Enerģijas avots gradienta izveidošanai pāri hloroplastu membrānai šajā gadījumā nav NADH un FADH₂, bet saules gaisma. Turpmākā ūdeņraža jonu plūsma zemākas H + jonu koncentrācijas virzienā tiek izmantota, lai darbinātu lielāku oglekļa molekulu sintēzi no mazākām, sākot ar CO₂ un beidzot ar C₆H₁₂O₆.

Enerģiju, kas plūst no ķīmiozmotiskā gradienta, izmanto, lai darbinātu ne tikai ATP ražošanu, bet arī citus svarīgus šūnu procesus, piemēram, olbaltumvielu sintēzi. Ja elektronu transporta ķēde tiek pārtraukta (tāpat kā ar ilgstošu skābekļa trūkumu), šo protonu gradientu nevar uzturēt un šūnu enerģijas ražošana apstājas, tāpat kā ūdensrats pārstāj plūst, kad ūdenim ap to vairs nav spiediena plūsmas gradients.

Tā kā eksperimentāli ir pierādīts, ka katra NADH molekula ražo apmēram trīs ATP molekulas un katru FADH₂ rada divas ATP molekulas, kopējā elektronu transporta ķēdes reakcijā izdalītā enerģija ir (atsaucoties uz iepriekšējo sadaļu) 10 reizes 3 (NADH) plus 2 reizes 2 (FADH₂) par 34 ATP. Pievienojiet to 2 ATP no glikolīzes un 2 no Krebsa cikla, un šeit rodas 38 ATP skaitlis aerobās elpošanas vienādojumā.