Hva er funksjonen til aerob respirasjon?

Aerob respirasjon, et begrep som ofte brukes om hverandre med "cellulær respirasjon", er en fantastisk måte å levere levende ting på trekke ut energi lagret i de kjemiske bindingene av karbonforbindelser i nærvær av oksygen, og sette denne ekstraherte energien til bruk i metabolske stoffer prosesser. Eukaryote organismer (dvs. dyr, planter og sopp) bruker alle aerob respirasjon, hovedsakelig takket være tilstedeværelsen av cellulære organeller kalt mitokondrier. Noen få prokaryote organismer (dvs. bakterier) bruker mer rudimentære aerobe respirasjonsveier, men generelt, når du ser "aerob respirasjon", bør du tenke "multicellular eukaryotic organisme. "

Men det er ikke alt som skal hoppe i tankene dine. Det følgende forteller deg alt du trenger å vite om de grunnleggende kjemiske banene for aerob respirasjon, hvorfor det er et så viktig sett med reaksjoner, og hvordan det hele kom i gang i løpet av biologisk og geologisk historie.

Alt stoffskifte i næringsstoffer begynner med glukosemolekyler. Dette seks-karbon sukkeret kan stamme fra matvarer i alle de tre makronæringsstoffklassene (karbohydrater, proteiner og fett), selv om glukose i seg selv er et enkelt karbohydrat. I nærvær av oksygen transformeres glukose og brytes ned i en kjede på ca. 20 reaksjoner for å produsere karbondioksid, vann, varme, og 36 eller 38 molekyler av adenosintrifosfat (ATP), molekylet som oftest brukes av celler i alle levende ting som en direkte kilde til brensel. Variasjonen i mengden ATP produsert av aerob respirasjon gjenspeiler det faktum at planter celler noen ganger klemmer 38 ATP fra ett glukosemolekyl, mens dyreceller genererer 36 ATP per glukose molekyl. Denne ATP kommer fra å kombinere gratis fosfatmolekyler (P) og adenosindifosfat (ADP), med nesten alle dette skjer i de aller siste trinnene av aerob respirasjon i reaksjonene til elektrontransporten kjede.

Den komplette kjemiske reaksjonen som beskriver aerob respirasjon er:

C₆H₁₂O₆ + 36 (eller 38) ADP + 36 (eller 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 kcal + 36 (eller 38) ATP.

Mens reaksjonen i seg selv fremstår som rett nok i denne formen, avviser den de mange trinnene det tar å komme fra venstre side av ligningen (reaktantene) til høyre side (produktene, inkludert 420 kilokalorier frigjort varme). Etter konvensjon er hele reaksjonssamlingen delt inn i tre deler basert på hvor hver forekommer: glykolyse (cytoplasma), Krebs-syklusen (mitokondriell matrise) og elektrontransportkjeden (indre mitokondrie) membran). Før du utforsker disse prosessene i detalj, er det imidlertid i orden å se på hvordan aerob respirasjon fikk sin start på jorden.

Funksjonen til aerob respirasjon er å levere drivstoff til reparasjon, vekst og vedlikehold av celler og vev. Dette er en litt formell måte å merke seg at aerob respirasjon holder eukaryote organismer i live. Du kan gå mange dager uten mat og i det minste noen få uten vann i de fleste tilfeller, men bare noen få minutter uten oksygen.

Oksygen (O) finnes i normal luft i sin kiselgur, O₂. Dette elementet ble på en eller annen måte oppdaget på 1600-tallet da det ble tydelig for forskere at luft inneholdt et element viktig for dyrenes overlevelse, en som kan tømmes i et lukket miljø ved flamme eller på lengre sikt ved puster.

Oksygen utgjør omtrent en femtedel av blandingen av gasser du puster inn. Men det var ikke alltid slik i planeten på 4,5 milliarder år, og endringen i mengden oksygen i jordens atmosfære over tid har hatt forutsigbare dype effekter på biologisk utvikling. I den første halvdelen av planetens nåværende levetid var det Nei oksygen i luften. For 1,7 milliarder år siden besto atmosfæren av 4 prosent oksygen, og encellede organismer hadde dukket opp. For 0,7 milliarder år siden, O₂ utgjorde mellom 10 og 20 prosent av luften, og større, flercellede organismer hadde dukket opp. For 300 millioner år siden hadde oksygeninnholdet steget til 35 prosent av luften, og tilsvarende var dinosaurer og andre veldig store dyr normen. Senere ble andelen luft holdt av O₂ falt til 15 prosent til den igjen steg til der den er i dag.

Det er klart ved å spore dette mønsteret alene, noe som virker ekstremt vitenskapelig sannsynlig at oksygenens ultimate funksjon er å få dyr til å vokse seg store.

De 10 reaksjonene av glykolyse krever ikke i seg selv oksygen for å fortsette, og glykolyse forekommer til en viss grad i alle levende ting, både prokaryotiske og eukaryotiske. Men glykolyse er en nødvendig forløper for de spesifikke aerobe reaksjonene ved cellulær respirasjon, og den beskrives normalt sammen med disse.

Når glukose, et seks-karbonmolekyl med en sekskantet ringstruktur, kommer inn i cellens cytoplasma, fosforyleres det umiddelbart, noe som betyr at det har en fosfatgruppe festet til et av karbonet. Dette fanger effektivt glukosemolekylet inne i cellen ved å gi det en netto negativ ladning. Molekylet blir deretter omorganisert til fosforylerte fruktose, uten tap eller gevinst av atomer, før enda et fosfat tilsettes molekylet. Dette destabiliserer molekylet, som deretter fragmenteres i et par tre-karbonforbindelser, hver av dem med sitt eget fosfat festet. En av disse blir transformert til den andre, og deretter, i en rekke trinn, gir de to tre-karbonmolekylene fosfater til molekyler av ADP (adenosindifosfat) for å gi 2 ATP. Det opprinnelige glukosemolekylet med seks karbonvikler som to molekyler av et trekarbonmolekyl som kalles pyruvat, og i tillegg genereres to molekyler av NADH (diskutert i detalj senere).

Pyruvat, i nærvær av oksygen, beveger seg inn i matrisen (tenk "midten") av cellulære organeller kalt mitokondrier og omdannes til en to-karbonforbindelse, kalt acetylkoenzym A (acetyl CoA). I prosessen, et molekyl av karbondioksid (CO₂). I prosessen, et molekyl av NAD⁺ (en såkalt høyenergi-elektronbærer) konverteres til NADH.

Krebs-syklusen, også kalt sitronsyresyklus eller trikarboksylsyresyklus, blir referert til som en syklus i stedet for en reaksjon fordi et av produktene, oksaloacetatet med fire karbonmolekyler, går inn i starten av syklusen ved å kombinere det med et molekyl av acetyl CoA. Dette resulterer i et seks-karbonmolekyl som kalles citrat. Dette molekylet manipuleres av en serie enzymer til en fem-karbonforbindelse kalt alfa-ketoglutarat, som deretter mister et annet karbon for å gi suksinat. Hver gang et karbon går tapt, er det i form av CO₂, og fordi disse reaksjonene er energisk gunstige, ledsages hvert karbondioksydtap av omdannelsen av en annen NAD⁺ til NAD. Dannelsen av suksinat skaper også et ATP-molekyl.

Succinat omdannes til fumarat, og genererer ett molekyl FADH₂ fra FAD²⁺ (en elektronbærer som NAD⁺ i funksjon). Dette omdannes til malat, og gir en annen NADH, som deretter blir transformert til oksaloacetat.

Hvis du holder poengsummen, kan du telle 3 NADH, 1 FADH₂ og 1 ATP per tur i Krebs-syklusen. Men husk at hvert glukosemolekyl gir to molekyler acetyl CoA for å komme inn i syklusen, så det totale antallet syntetiserte molekyler er 6 NADH, 2 FADH₂ og 2 ATP. Krebs-syklusen genererer dermed ikke mye energi direkte - bare 2 ATP per molekyl glukose levert oppstrøms - og det er heller ikke behov for oksygen. Men NADH og FADH₂ er kritiske for oksidativ fosforylering trinn i neste reaksjonsserie, samlet kalt elektrontransportkjeden.

De forskjellige molekylene av NADH og FADH₂ opprettet i de foregående trinnene av cellulær respirasjon er klare til å tas i bruk i elektrontransportkjeden, som forekommer i bretter av den indre mitokondriale membranen kalt cristae. Kort fortalt høynergi-elektronene festet til NAD⁺ og FAD²⁺ brukes til å lage en protongradient over membranen. Dette betyr bare at det er en høyere konsentrasjon av protoner (H⁺ ioner) på den ene siden av membranen enn på den andre siden, noe som skaper en drivkraft for disse ionene å strømme fra områder med høyere protonkonsentrasjon til områder med lavere protonkonsentrasjon. På denne måten oppfører protoner seg litt annerledes enn for eksempel vann som "ønsker" å bevege seg fra et område med høyere høyde til et område med lavere konsentrasjon - her, under påvirkning av tyngdekraften i stedet for den såkalte kjemiosmotiske gradienten observert i elektrontransporten kjede.

Som en turbin ved et vannkraftanlegg som utnytter energien i strømmende vann for å utføre arbeid andre steder (i så fall generere elektrisitet), ble noe av energien etablert av protonet gradient over membranen fanges for å feste frie fosfatgrupper (P) til ADP-molekyler for å generere ATP, en prosess som kalles fosforylering (og i dette tilfellet oksidativ fosforylering). Faktisk skjer dette om og om igjen i elektrontransportkjeden, helt til hele NADH og FADH₂ fra glykolyse og Krebs-syklusen - omtrent 10 av førstnevnte og to av sistnevnte - blir brukt. Dette resulterer i dannelsen av omtrent 34 molekyler ATP per glukosemolekyl. Siden glykolyse og Krebs-syklusen hver gir 2 ATP per glukosemolekyl, er den totale mengden hvis frigitt energi, i det minste under ideelle forhold, 34 + 2 + 2 = 38 ATP totalt.

Det er tre forskjellige punkter i elektrontransportkjeden der protoner kan krysse den indre mitokondrielle membranen for å komme inn i rommet mellom dette. senere og den ytre mitokondrielle membranen, og fire distinkte molekylære komplekser (nummerert I, II, III og IV) som danner de fysiske ankerpunktene til kjede.

Elektrontransportkjeden krever oksygen fordi O₂ fungerer som den siste elektronpar-akseptoren i kjeden. Hvis ingen oksygen er tilstede, opphører reaksjonene i kjeden raskt fordi den "nedstrøms" strømmen av elektroner opphører; de har ingen steder å gå. Blant stoffene som kan lamme elektrontransportkjeden er cyanid (CN^-). Dette er grunnen til at du kanskje har sett cyanid brukt som en dødelig gift i drapsprogrammer eller spionfilmer; når den administreres i tilstrekkelige doser, stopper aerob respirasjon i mottakeren, og med det, livet i seg selv.

Det antas ofte at planter gjennomgår fotosyntese for å skape oksygen fra karbondioksid, mens dyr bruker åndedrett for å generere karbondioksid fra oksygen, og dermed bidra til å bevare et pent økosystemomfang, komplementært balansere. Selv om dette er sant på overflaten, er det misvisende, fordi planter bruker både fotosyntese og aerob respirasjon.

Fordi planter ikke kan spise, må de lage, i stedet for å innta, maten. Dette er hva fotosyntese, en serie reaksjoner som foregår hos organeller som dyr mangler, kalt kloroplaster. Drevet av sollys, CO₂ inne i plantecellen er samlet i glukose inne i kloroplaster i en serie trinn som ligner elektrontransportkjeden i mitokondrier. Glukosen frigjøres deretter fra kloroplasten; mest hvis det blir en strukturell del av planten, men noen gjennomgår glykolyse og fortsetter deretter gjennom resten av aerob respirasjon etter å ha kommet inn i plantecellens mitokondrier.