Hvordan fanger celler opp energi frigjort av cellulær respirasjon?

Levende organismer danner en energikjede der planter produserer mat som dyr og andre organismer bruker til energi. Hovedprosessen som produserer mat er fotosyntese i planter og den viktigste metoden for å konvertere maten til energi er cellulær respirasjon.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Det energioverførende molekylet som brukes av celler er ATP. Prosessen med cellulær respirasjon konverterer molekylet ADP til ATP, hvor energien lagres. Dette skjer via den tretrinns prosessen med glykolyse, sitronsyresyklusen og elektrontransportkjeden. Cellular respiration splittes og oksyderer glukose for å danne ATP-molekyler.

Under fotosyntese fanger planter lysenergi og bruker den til å drive kjemiske reaksjoner i plantecellene. Lysenergien lar planter kombinere karbon fra karbondioksid i luften med hydrogen og oksygen fra vann til form glukose.

I cellulær respirasjon, organismer som dyr spiser mat som inneholder glukose og bryter ned glukosen til energi, karbondioksid og vann. Karbondioksid og vann drives ut av organismen, og energien lagres i et molekyl som kalles

Levende organismer er enten encellede prokaryoter eller eukaryoter, som kan være encellede eller flercellede. Hovedforskjellen mellom de to er at prokaryoter har en enkel cellestruktur uten kjerne eller celleorganeller. Eukaryoter har alltid en cellekjernen og mer kompliserte celleprosesser.

Encellede organismer av begge typer kan bruke flere metoder for å produsere energi, og mange bruker også cellulær respirasjon. Avanserte planter og dyr er alle eukaryoter, og de bruker cellulær respirasjon nesten utelukkende. Planter bruker fotosyntese for å fange energi fra solen, men lagrer mesteparten av den energien i form av glukose.

Både planter og dyr bruker glukosen produsert fra fotosyntese som en energikilde.

Fotosyntese produserer glukose, men glukosen er bare en måte å lagre kjemisk energi på og kan ikke brukes av celler direkte. Den samlede fotosynteseprosessen kan oppsummeres i følgende formel:

6CO₂ + 12H₂O + lysenergi → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Plantene bruker fotosyntese for å konvertere lysenergi i kjemisk energi og de lagrer den kjemiske energien i glukose. En annen prosess er nødvendig for å utnytte den lagrede energien.

Cellular respiration konverterer den kjemiske energien som er lagret i glukose til kjemisk energi som er lagret i ATP-molekylet. ATP brukes av alle celler for å drive stoffskiftet og aktivitetene. Muskelceller er blant de celletyper som bruker glukose til energi, men som først konverterer det til ATP.

Den samlede kjemiske reaksjonen for cellulær respirasjon er som følger:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP-molekyler

Cellene bryter glukose ned i karbondioksid og vann mens de produserer energi som de lagrer i ATP-molekyler. De bruker deretter ATP-energien til aktiviteter som muskelkontrahering. Den komplette cellulære respirasjonsprosessen har tre trinn.

Glukose er et karbohydrat med seks karbonatomer. I løpet av den første fasen av den cellulære respirasjonsprosessen kalt glykolyse, cellen bryter glukosemolekylene i to molekyler av pyruvat, eller tre-karbonmolekyler. For å få prosessen i gang tar det energi, så to ATP-molekyler fra cellens reserver brukes.

På slutten av prosessen, når de to pyruvatmolekylene blir opprettet, frigjøres energi og lagres i fire ATP-molekyler. Glykolyse bruker to ATP-molekyler og produserer fire for hvert behandlet glukosemolekyl. Netto gevinsten er to ATP-molekyler.

Glykolyse starter i cellecytoplasmaet, men celle respirasjonsprosessen foregår hovedsakelig i mitokondrier. Slagene av celler som bruker glukose til energi inkluderer nesten alle celler i menneskekroppen, med unntak av høyt spesialiserte celler som blodceller.

Mitokondriene er små membranbundne organeller og er cellefabrikker som produserer ATP. De har en glatt ytre membran og en veldig brettet indre membran der de cellulære respirasjonsreaksjonene finner sted.

Reaksjonene foregår først inne i mitokondriene for å produsere en energigradient over den indre membranen. Påfølgende reaksjoner som involverer membranen produserer energien som brukes til å lage ATP-molekyler.

Pyruvat produsert ved glykolyse er ikke det endelige produktet av cellulær respirasjon. Et andre trinn behandler de to pyruvatmolekylene til et annet mellomstoff som kalles acetyl CoA. Acetyl CoA kommer inn i sitronsyresyklus og karbonatomer fra det opprinnelige glukosemolekylet blir fullstendig omdannet til CO₂. De sitronsyre rot resirkuleres og kobles til et nytt acetyl CoA-molekyl for å gjenta prosessen.

Oksidasjonen av karbonatomer produserer ytterligere to ATP-molekyler og omdanner enzymene NAD⁺ og FAD til NADH og FADH₂. De konverterte enzymene brukes i tredje og siste trinn av cellulær respirasjon der de fungerer som elektrondonorer for elektrontransportkjeden.

ATP-molekylene fanger opp noe av den produserte energien, men det meste av den kjemiske energien forblir i NADH-molekylene. Sitronsyresyklusreaksjonene finner sted inne i mitokondriene.

De elektrontransportkjede (ETC) består av en serie forbindelser som ligger på mitokondriens indre membran. Den bruker elektroner fra NADH og FADH₂ enzymer produsert av sitronsyresyklusen for å pumpe protoner over membranen.

I en kjede av reaksjoner, de høyenergiske elektronene fra NADH og FADH₂ blir ført ned i serien av ETC-forbindelser med hvert trinn som fører til en lavere elektronenergitilstand og protoner pumpes over membranen.

På slutten av ETC-reaksjonene aksepterer oksygenmolekyler elektronene og danner vannmolekyler. Elektronenergien som opprinnelig kommer fra splitting og oksidasjon av glukosemolekylet, er blitt omdannet til en proton energi gradient over mitokondriens indre membran.

Fordi det er ubalanse mellom protoner over den indre membranen, opplever protonene en kraft til å diffundere tilbake til det indre av mitokondriene. Et enzym kalt ATP-syntase er innebygd i membranen og skaper en åpning, slik at protonene kan bevege seg tilbake over membranen.

Når protonene passerer gjennom ATP-syntaseåpningen, bruker enzymet energien fra protonene til å skape ATP-molekyler. Hovedtyngden av energien fra cellulær respirasjon fanges opp på dette stadiet og lagres i 32 ATP-molekyler.

ATP er et komplekst organisk kjemikalie med en adeninbase og tre fosfatgrupper. Energi lagres i bindingene som inneholder fosfatgruppene. Når en celle trenger energi, bryter den en av fosfatgruppene og bruker den kjemiske energien til å skape nye bindinger i andre cellestoffer. ATP-molekylet blir adenosindifosfat eller ADP.

I cellulær respirasjon brukes den frigjorte energien til å tilsette en fosfatgruppe til ADP. Tilsetningen av fosfatgruppen fanger opp energien fra glykolyse, sitronsyresyklusen og den store mengden energi fra ETC. De resulterende ATP-molekylene kan brukes av organismen til aktiviteter som bevegelse, på jakt etter mat og reproduksjon.