Respirația celulară: definiție, ecuație și pași

Filosoful Bertrand Russell a spus: „Fiecare ființă vie este un fel de imperialist, care caută să se transforme cât mai mult posibil a mediului său în sine. "Metafore deoparte, respirația celulară este modalitatea formală în care fac lucrurile vii în cele din urmă acest. Respirația celulară preia substanțe captate din mediul extern (surse de aer și carbon) și le transformă în energie pentru construirea mai multor celule și țesuturi și pentru realizarea vieții Activități. De asemenea, generează deșeuri și apă. Acest lucru nu trebuie confundat cu „respirația” în sensul cotidian, ceea ce înseamnă de obicei același lucru cu „respirația”. Respirația este cum organismele dobândesc oxigen, dar acest lucru nu este același lucru cu procesarea oxigenului, iar respirația nu poate furniza carbonul necesar și pentru acesta respiraţie; dieta are grijă de acest lucru, cel puțin la animale.

Respirația celulară are loc atât la plante, cât și la animale, dar nu și la procariote (de exemplu, bacterii), care lipsesc mitocondriile și alte organite și, prin urmare, nu pot folosi oxigenul, limitându-le la glicoliză ca energie sursă. Plantele sunt probabil mai frecvent asociate cu fotosinteza decât cu respirația, dar fotosinteza este sursă de oxigen pentru respirația celulelor plantelor precum și o sursă de oxigen care iese din plantă care poate fi folosită de animale. Produsul secundar final în ambele cazuri este ATP sau adenozin trifosfatul, principalul purtător de energie chimică în viețuitoare.

Respirația celulară, adesea numită respirație aerobă, este descompunerea completă a moleculei de glucoză în prezența oxigenului pentru a produce dioxid de carbon și apă:

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

Această ecuație are o componentă de oxidare (C₆H₁₂O₆ -> 6CO₂), în esență, o îndepărtare a electronilor sub formă de atomi de hidrogen. De asemenea, are o componentă de reducere, 6O₂ -> 6H₂O, care este adăugarea de electroni sub formă de hidrogen.

Ecuația în ansamblu se traduce prin faptul că energia deținută în legăturile chimice ale reactanților este utilizat pentru conectarea adenozin difosfatului (ADP) la atomii de fosfor liberi (P) pentru a genera adenozin trifosfat (ATP).

Procesul în ansamblu implică mai mulți pași: glicoliza are loc în citoplasmă, urmată de Krebs ciclul și lanțul de transport al electronilor în matricea mitocondrială și pe membrana mitocondrială respectiv.

Primul pas în descompunerea glucozei atât la plante cât și la animale este o serie de 10 reacții cunoscute sub numele de glicoliză. Glucoza pătrunde în celulele animale din exterior, prin alimente care sunt descompuse în molecule de glucoză care circulă în sânge și sunt absorbite de țesuturi unde energia este cea mai necesară (inclusiv creier). Plantele, în schimb, sintetizează glucoza din preluarea dioxidului de carbon din exterior și folosirea fotosintezei pentru a converti CO₂ la glucoză. În acest moment, indiferent de modul în care a ajuns acolo, fiecare moleculă de glucoză este angajată la aceeași soartă.

La începutul glicolizei, molecula de glucoză cu șase carbonuri este fosforilată pentru a o prinde în interiorul celulei; fosfații sunt încărcați negativ și, prin urmare, nu pot deriva prin membrana celulară, așa cum o pot face moleculele nepolare, neîncărcate. Se adaugă o a doua moleculă de fosfat, ceea ce face ca molecula să fie instabilă și, în curând, este clivată în doi compuși neidentici cu trei carbon. Acestea își asumă în curând forma chimică, devenind rearanjate într-o serie de pași pentru a produce în cele din urmă două molecule de piruvat. Pe parcurs, se consumă două molecule de ATP (ele furnizează cei doi fosfați adăugați la glucoză din timp) și patru sunt produse, câte două prin fiecare proces cu trei carbon, pentru a produce o rețea de două molecule de ATP pe moleculă de glucoză.

La bacterii, glicoliza singură este suficientă pentru nevoile de energie ale celulei - și, astfel, ale întregului organism -. Dar la plante și animale, acest lucru nu este cazul, iar cu piruvatul, soarta finală a glucozei abia a început. Trebuie remarcat faptul că glicoliza în sine nu necesită oxigen, dar oxigenul este în general inclus în discuții despre respirația aerobă și, prin urmare, respirația celulară, deoarece este necesară sintetizarea piruvat.

O concepție greșită obișnuită în rândul pasionaților de biologie este că cloroplastele îndeplinesc aceeași funcție la plante pe care mitocondriile o fac la animale și că fiecare tip de organism are doar una sau alta. Nu este așa. Plantele au atât cloroplaste, cât și mitocondrii, în timp ce animalele au doar mitocondrii. Plantele folosesc cloroplaste ca generatoare - folosesc o sursă mică de carbon (CO₂) pentru a construi una mai mare (glucoza). Celulele animale își iau glucoza prin descompunerea macromoleculelor, cum ar fi carbohidrații, proteinele și grăsimile, și, prin urmare, nu trebuie să creeze glucoză din interior. Acest lucru poate părea ciudat și ineficient în cazul plantelor, dar plantele au dezvoltat o caracteristică pe care animalele nu o au: capacitatea de a valorifica lumina soarelui pentru o utilizare directă în funcțiile metabolice. Acest lucru permite plantelor să-și facă literalmente propriile alimente.

Se crede că mitocondriile au fost un fel de bacterii de sine stătătoare cu multe sute de milioane de ani în urmă, o teorie susținută de remarcabilă asemănare structurală cu bacteriile, precum și cu mașinile lor metabolice și prezența propriului ADN și organite numite ribozomi. Eucariotele au apărut pentru prima oară în urmă cu peste un miliard de ani, când o celulă a reușit să o înghită pe alta (ipoteza endosimbionului), conducând la un aranjament care a fost foarte benefic pentru ingulferul din acest aranjament din cauza producției extinse de energie capacități. Mitocondriile constau dintr-o membrană plasmatică dublă, ca și celulele în sine; membrana interioară include pliuri numite criste. Porțiunea internă a mitocondriilor este cunoscută sub numele de matrice și este similară cu citoplasma celulelor întregi.

Cloroplastele, precum mitocondriile, au membrane exterioare și interioare și propriul ADN. În interiorul spațiului închis de o membrană interioară se află un sortiment de pungi membranoase interconectate, stratificate și umplute cu lichid, numite tilacoide. Fiecare „stivă” de tilacoizi formează un granum (plural: grana). Fluidul din membrana interioară care înconjoară grana se numește stromă.

Cloroplastele conțin un pigment numit clorofilă, care conferă plantelor culoarea lor verde și servește ca colector de lumină solară pentru fotosinteză. Ecuația pentru fotosinteză este exact inversul respirației celulare, dar pașii individuali pentru a obține dioxidul de carbon la glucoză nu seamănă în niciun fel cu reacțiile inverse ale lanțului de transport al electronilor, ciclului Krebs și glicoliză.

În acest proces, numit și ciclul acidului tricarboxilic (TCA) sau ciclul acidului citric, moleculele de piruvat sunt transformate mai întâi în molecule cu doi carbon numite acetil coenzima A (acetil CoA). Aceasta eliberează o moleculă de CO₂. Moleculele de acetil CoA intră apoi în matricea mitocondrială, unde fiecare dintre ele se combină cu o moleculă de patru carbon de oxaloacetat pentru a forma acid citric. Astfel, dacă faceți o contabilitate atentă, o moleculă de glucoză are ca rezultat două molecule de acid citric la începutul ciclului Krebs.

Acidul citric, o moleculă cu șase carbon, este rearanjat în izocitrat, iar apoi un atom de carbon este îndepărtat pentru a forma ketoglutarat, cu un CO₂ ieșind din ciclu. La rândul său, cetoglutaratul este eliminat de un alt atom de carbon, generând un alt CO₂ și succinat și, de asemenea, formând o moleculă de ATP. De acolo, molecula de succinat cu patru carbonuri este transformată secvențial în fumarat, malat și oxaloacetat. Aceste reacții văd ionii de hidrogen îndepărtați din aceste molecule și fixați pe purtătorii de electroni de mare energie NAD + și FAD + pentru a forma NADH și FADH₂ respectiv, care este în esență „creație” energetică deghizată, așa cum veți vedea în curând. La sfârșitul ciclului Krebs, molecula originală de glucoză a dat naștere la 10 NADH și două FADH₂ molecule.

Reacțiile ciclului Krebs produc doar două molecule de ATP per moleculă originală de glucoză, una pentru fiecare „rotație” a ciclului. Aceasta înseamnă că, pe lângă cele două ATP produse în glicoliză, după ciclul Krebs, rezultatul este un total de patru ATP. Dar rezultatele reale ale respirației aerobe încă nu s-au desfășurat în acest stadiu.

Lanțul de transport al electronilor, care are loc pe crestele membranei mitocondriale interioare, este primul pas în respirația celulară care se bazează în mod explicit pe oxigen. NADH și FADH₂ produse în ciclul Krebs sunt acum pregătite să contribuie la eliberarea de energie într-un mod major.

Modul în care se întâmplă acest lucru este că ionii de hidrogen depozitați pe aceste molecule purtătoare de electroni (un ion de hidrogen poate, pentru scopurile actuale, să fie considerată o pereche de electroni în ceea ce privește contribuția sa la această parte a respirației) sunt obișnuiți creeaza o gradient chemiosmotic. Probabil ați auzit de un gradient de concentrație, în care moleculele curg din regiuni de concentrație mai mare în zone cu concentrație mai mică, cum ar fi un cub de zahăr care se dizolvă în apă și particulele de zahăr se dispersează peste tot. Cu toate acestea, într-un gradient chemiosmotic, electronii din NADH și FADH₂ lichidare fiind trecută de-a lungul proteinelor încorporate în membrană și care servesc ca sisteme de transfer de electroni. Energia eliberată în acest proces este utilizată pentru a pompa ioni de hidrogen peste membrană și pentru a crea un gradient de concentrație peste ea. Acest lucru duce la un flux net de atomi de hidrogen într-o singură direcție, iar acest flux este utilizat pentru a alimenta o enzimă numită ATP sintază, care face ATP din ADP și P. Gândiți-vă la lanțul de transport al electronilor ca la ceva care pune o greutate mare de apă în spatele unei roți de apă, a cărei rotație ulterioară este utilizată pentru a construi lucruri.

Acest lucru, nu întâmplător, este același proces utilizat în cloroplaste pentru a alimenta sinteza glucozei. Sursa de energie pentru crearea unui gradient pe membrana cloroplastului nu este în acest caz NADH și FADH₂, dar lumina soarelui. Fluxul ulterior de ioni de hidrogen în direcția concentrației mai mici de ioni H + este utilizat pentru a alimenta sinteza moleculelor de carbon mai mari din cele mai mici, începând cu CO₂ și se termină cu C₆H₁₂O₆.

Energia care curge din gradientul chimiosmotic este utilizată pentru a alimenta nu numai producția de ATP, ci și alte procese celulare vitale, cum ar fi sinteza proteinelor. Dacă lanțul de transport al electronilor este întrerupt (ca și în cazul lipsei prelungite de oxigen), acest gradient de protoni nu poate fi menținut și producția de energie celulară se oprește, la fel cum o roată de apă nu mai curge atunci când apa din jurul ei nu mai are un flux de presiune gradient.

Deoarece s-a demonstrat experimental că fiecare moleculă NADH produce aproximativ trei molecule de ATP și fiecare FADH₂ produce două molecule de ATP, energia totală eliberată de reacția în lanț de transport a electronilor este (referindu-ne la secțiunea anterioară) de 10 ori 3 (pentru NADH) plus de 2 ori 2 (pentru FADH₂) pentru un total de 34 ATP. Adăugați acest lucru la 2 ATP din glicoliză și 2 din ciclul Krebs și de aici provine figura 38 ATP din ecuația pentru respirația aerobă.