Cellular Respiration: Definisjon, ligning og trinn

Filosofen Bertrand Russell sa: "Alle levende ting er en slags imperialist som søker å transformere seg så mye som mulig av miljøet i seg selv. "Til side metaforer er cellulær respirasjon den formelle måten levende ting til slutt gjør dette. Cellular respiration tar stoffer fanget fra det ytre miljøet (luft- og karbonkilder) og konverterer dem til energi for å bygge flere celler og vev og for å utføre livsopprettholdende aktiviteter. Det genererer også avfallsprodukter og vann. Dette er ikke å forveksle med "respirasjon" i hverdagslig forstand, som vanligvis betyr det samme som "å puste". Å puste er hvordan organismer skaffer seg oksygen, men dette er ikke det samme som prosessering av oksygen, og pust kan ikke levere det karbonet som også trengs respirasjon; kosthold tar seg av dette, i det minste hos dyr.

Cellular respirasjon forekommer i både planter og dyr, men ikke i prokaryoter (f.eks. Bakterier), som mangler mitokondrier og andre organeller og kan dermed ikke bruke oksygen, og begrenser dem til glykolyse som energi kilde. Planter er kanskje oftere assosiert med fotosyntese enn med respirasjon, men fotosyntese er det oksygen for åndedrettsceller, samt en oksygenkilde som kommer ut av planten som kan brukes av dyr. Det ultimate biproduktet i begge tilfeller er ATP, eller adenosintrifosfat, den primære kjemiske energibæreren i levende ting.

Cellular respiration, ofte kalt aerob respirasjon, er fullstendig nedbrytning av glukosemolekylet i nærvær av oksygen for å gi karbondioksid og vann:

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

Denne ligningen har en oksidasjonskomponent (C₆H₁₂O₆ -> 6CO₂), i det vesentlige en fjerning av elektroner i form av hydrogenatomer. Den har også en reduksjonskomponent, 6O₂ -> 6H₂O, som er tilsetning av elektroner i form av hydrogen.

Hva ligningen oversetter til er at energien som holdes i reaktantenes kjemiske bindinger er brukes til å koble adenosindifosfat (ADP) til frie fosforatomer (P) for å generere adenosintrifosfat (ATP).

Prosessen som helhet innebærer flere trinn: Glykolyse finner sted i cytoplasmaet, etterfulgt av Krebs syklus og elektrontransportkjeden i mitokondriell matrise og på mitokondriell membran henholdsvis.

Det første trinnet i nedbrytningen av glukose i både planter og dyr er en serie på 10 reaksjoner kjent som glykolyse. Glukose kommer inn i dyreceller fra utsiden, via matvarer som brytes ned i glukosemolekyler som sirkulerer i blodet og blir tatt opp av vev der det er mest behov for energi (inkludert hjerne). Planter, derimot, syntetiserer glukose fra å ta inn karbondioksid fra utsiden og bruke fotosyntese for å konvertere CO₂ til glukose. På dette punktet, uansett hvordan det kom dit, er hvert glukosemolekyl forpliktet til den samme skjebnen.

Tidlig i glykolyse fosforyleres seks-karbon glukosemolekylet for å fange det inne i cellen; fosfater er negativt ladede og kan derfor ikke drive gjennom cellemembranen slik ikke-polære, uladede molekyler noen ganger kan. Et annet fosfatmolekyl blir tilsatt, noe som gjør molekylet ustabilt, og det blir spaltet i to ikke-identiske tre-karbonforbindelser. Disse antar snart at den kom kjemiske formen, og blir omorganisert i en serie trinn for til slutt å gi to molekyler av pyruvat. Underveis forbrukes to ATP-molekyler (de forsyner de to fosfater som er tilsatt glukose tidlig) og fire produseres, to av hver tre-karbon prosess, for å gi et netto av to ATP-molekyler per molekyl av glukose.

I bakterier er glykolyse alene tilstrekkelig for cellens - og dermed hele organismen - energibehov. Men i planter og dyr er ikke dette tilfelle, og med pyruvat har den ultimate skjebnen til glukose så vidt begynt. Det skal bemerkes at glykolyse i seg selv ikke krever oksygen, men oksygen er generelt inkludert i diskusjoner om aerob respirasjon og dermed cellulær respirasjon fordi det er nødvendig å syntetisere pyruvat.

En vanlig misforståelse blant biologientusiaster er at kloroplaster har samme funksjon i planter som mitokondrier gjør hos dyr, og at hver type organisme bare har den ene eller den andre. Dette er ikke slik. Planter har både kloroplaster og mitokondrier, mens dyr bare har mitokondrier. Planter bruker kloroplaster som generatorer - de bruker en liten karbonkilde (CO₂) for å bygge en større (glukose). Dyreceller får glukosen ved å bryte ned makromolekyler som karbohydrater, proteiner og fett, og trenger derfor ikke å lage glukose innenfra. Dette kan virke rart og ineffektivt når det gjelder planter, men planter har utviklet en funksjon som dyr ikke har: evnen til å utnytte sollys for direkte bruk i metabolske funksjoner. Dette gjør at planter bokstavelig talt kan lage sin egen mat.

Mitokondrier antas å ha vært en slags frittstående bakterier for mange hundre millioner år siden, en teori støttet av deres bemerkelsesverdig strukturell likhet med bakterier så vel som deres metabolske maskineri og tilstedeværelsen av deres eget DNA og organeller kalt ribosomer. Eukaryoter ble først til for over en milliard år siden da en celle klarte å oppsluke en annen (endosymbiont-hypotesen), noe som førte til en ordning som var veldig gunstig for engulveren i dette arrangementet på grunn av utvidet energiproduksjon evner. Mitokondrier består av en dobbel plasmamembran, som celler i seg selv; den indre membranen inkluderer folder som kalles cristae. Den indre delen av mitokondriene er kjent som matrisen og er analog med cytoplasmaet i hele celler.

Kloroplaster, som mitokondrier, har ytre og indre membraner og eget DNA. Inne i rommet lukket av en indre membran ligger et utvalg av sammenkoblede, lagdelte og væskefylte membranposer kalt thylakoids. Hver "stabel" med tylakoider danner en granum (flertall: grana). Væsken i den indre membranen som omgir grana kalles stroma.

Kloroplaster inneholder et pigment som kalles klorofyll som begge gir planter sin grønne farge og fungerer som solfangersolje for fotosyntese. Ligningen for fotosyntese er nøyaktig motsatt av cellulær respirasjon, men de enkelte trinnene å komme seg fra karbondioksid til glukose ligner på ingen måte de omvendte reaksjonene til elektrontransportkjeden, Krebs-syklusen og glykolyse.

I denne prosessen, også kalt trikarboksylsyre (TCA) syklus eller sitronsyresyklus, blir pyruvatmolekyler først omdannet til to-karbonmolekyler kalt acetylkoenzym A (acetyl CoA). Dette frigjør et molekyl av CO₂. Acetyl CoA-molekyler går deretter inn i mitokondrie-matrisen, hvor hver av dem kombineres med et fire-karbonmolekyl av oksaloacetat for å danne sitronsyre. Dermed, hvis du gjør nøye regnskap, resulterer ett molekyl glukose i to molekyler sitronsyre ved begynnelsen av Krebs-syklusen.

Sitronsyre, et seks-karbonmolekyl, omorganiseres til isocitrat, og deretter fjernes et karbonatom for å danne ketoglutarat, med en CO₂ avslutter syklusen. Ketoglutarat blir igjen strippet for et annet karbonatom og genererer enda et CO₂ og suksinere og også danne et molekyl av ATP. Derfra transformeres firkarbon-succinatmolekylet sekvensielt til fumarat, malat og oksaloacetat. Disse reaksjonene ser hydrogenioner fjernet fra disse molekylene og festes på høyenergi-elektronbærere NAD + og FAD + for å danne NADH og FADH₂ henholdsvis, som egentlig er energi "skapelse" i forkledning, som du snart vil se. På slutten av Krebs-syklusen har det opprinnelige glukosemolekylet gitt 10 NADH og to FADH₂ molekyler.

Reaksjonene fra Krebs-syklusen produserer bare to ATP-molekyler per originalt glukosemolekyl, ett for hver "sving" av syklusen. Dette betyr at i tillegg til de to ATP produsert i glykolyse, etter Krebs-syklusen, er resultatet totalt fire ATP. Men de virkelige resultatene av aerob respirasjon har ennå ikke utspilt seg på dette stadiet.

Elektrontransportkjeden, som forekommer på krystallene i den indre mitokondrielle membranen, er det første trinnet i mobil respirasjon som eksplisitt er avhengig av oksygen. NADH og FADH₂ produsert i Krebs-syklusen er nå klar til å bidra til frigjøring av energi på en stor måte.

Måten dette skjer på er at hydrogenionene som er lagret på disse elektronbærermolekylene (et hydrogenion kan f.eks nåværende formål, betraktes som et elektronpar når det gjelder dets bidrag til denne delen av respirasjonen) er vant til lage en kjemiosmotisk gradient. Du har kanskje hørt om en konsentrasjonsgradient, der molekyler flyter fra regioner med høyere konsentrasjon til områder med lavere konsentrasjon, som en sukkerbit som oppløses i vann og sukkerpartiklene blir spredt gjennom. I en kjemiosmotisk gradient er imidlertid elektronene fra NADH og FADH₂ ender opp med å bli ført videre av proteiner innebygd i membranen og fungerer som elektronoverføringssystemer. Energien som frigjøres i denne prosessen brukes til å pumpe hydrogenioner over membranen og skape en konsentrasjonsgradient over den. Dette fører til en nettostrøm av hydrogenatomer i en retning, og denne strømmen brukes til å drive et enzym kalt ATP-syntase, som lager ATP fra ADP og P. Tenk på elektrontransportkjeden som noe som legger stor vekt på vann bak et vannhjul, hvis påfølgende rotasjon brukes til å bygge ting.

Dette er ikke forresten den samme prosessen som brukes i kloroplaster for å drive glukosesyntese. Energikilden for å skape en gradient over kloroplastmembranen er i dette tilfellet ikke NADH og FADH₂, men sollys. Den påfølgende strømmen av hydrogenioner i retning av lavere H + -ionkonsentrasjon brukes til å drive syntesen av større karbonmolekyler fra mindre, startende med CO₂ og slutter med C₆H₁₂O₆.

Energien som strømmer fra den kjemiosmotiske gradienten brukes til å drive ikke bare ATP-produksjon, men også andre vitale cellulære prosesser, for eksempel proteinsyntese. Hvis elektrontransportkjeden blir avbrutt (som ved langvarig oksygenmangel), kan ikke denne protongradienten opprettholdes og produksjonen av cellulær energi stopper, akkurat som et vannhjul slutter å strømme når vannet rundt det ikke lenger har en trykkstrøm gradient.

Fordi hvert NADH-molekyl har blitt vist eksperimentelt å produsere omtrent tre molekyler ATP og hver FADH₂ produserer to ATP-molekyler, den totale energien som frigjøres ved elektrontransportkjedereaksjonen er (med referanse til forrige avsnitt) 10 ganger 3 (for NADH) pluss 2 ganger 2 (for FADH₂) for totalt 34 ATP. Legg dette til 2 ATP fra glykolyse og 2 fra Krebs-syklusen, og det er her 38 ATP-figuren i ligningen for aerob respirasjon kommer fra.