Клеточное дыхание: определение, уравнение и шаги

Философ Бертран Рассел сказал: «Все живые существа - своего рода империалисты, стремящиеся как можно больше трансформировать. окружающей среды в себя ". Помимо метафор, клеточное дыхание - это формальный способ, которым живые существа в конечном итоге это. Клеточное дыхание забирает вещества, захваченные из внешней среды (воздух и источники углерода) и превращает их в энергию для создания большего количества клеток и тканей и для поддержания жизни виды деятельности. Он также производит отходы и воду. Это не следует путать с «дыханием» в повседневном смысле, которое обычно означает то же самое, что и «дыхание». Дыхание как организмы получают кислород, но это не то же самое, что переработка кислорода, и дыхание не может поставлять углерод, также необходимый для дыхание; диета позаботится об этом, по крайней мере, у животных.

Клеточное дыхание происходит как у растений, так и у животных, но не у прокариот (например, бактерий), у которых отсутствует митохондрии и другие органеллы и, следовательно, не могут использовать кислород, ограничивая их гликолизом в качестве энергии источник. Возможно, растения чаще связаны с фотосинтезом, чем с дыханием, но фотосинтез - это источник кислорода для дыхания растительных клеток, а также источник кислорода, который выходит из растения, который может использоваться животные. Конечным побочным продуктом в обоих случаях является АТФ или аденозинтрифосфат, основной химический носитель энергии в живых организмах.

Клеточное дыхание, часто называемое аэробным дыханием, - это полный распад молекулы глюкозы в присутствии кислорода с образованием углекислого газа и воды:

C₆ЧАС₁₂О₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P -> 6CO₂ + 6H₂O + 38 АТФ + 420 Ккал

В этом уравнении есть окислительный компонент (C₆ЧАС₁₂О₆ -> 6CO₂), по сути, удаление электронов в виде атомов водорода. Он также имеет восстановительный компонент, 6O₂ -> 6H₂О, который представляет собой присоединение электронов в виде водорода.

Уравнение в целом означает, что энергия, удерживаемая в химических связях реагентов, равна используется для соединения аденозиндифосфата (ADP) со свободными атомами фосфора (P) для образования аденозинтрифосфата (АТФ).

Процесс в целом состоит из нескольких этапов: в цитоплазме происходит гликолиз, за ​​которым следует процесс Кребса. цикл и цепь переноса электронов в митохондриальном матриксе и на митохондриальной мембране соответственно.

Первым шагом в расщеплении глюкозы как у растений, так и у животных является серия из 10 реакций, известных как гликолиз. Глюкоза поступает в клетки животных извне через продукты, которые расщепляются на молекулы глюкозы. которые циркулируют в крови и поглощаются тканями, где энергия наиболее необходима (включая мозг). Растения, напротив, синтезируют глюкозу, поглощая углекислый газ извне и используя фотосинтез для преобразования CO.₂ к глюкозе. В этот момент, независимо от того, как она туда попала, каждую молекулу глюкозы ждет одна и та же судьба.

В начале гликолиза молекула глюкозы с шестью атомами углерода фосфорилируется, чтобы удерживать ее внутри клетки; фосфаты заряжены отрицательно и поэтому не могут проходить через клеточную мембрану, как иногда могут неполярные незаряженные молекулы. Добавляется вторая молекула фосфата, что делает молекулу нестабильной, и вскоре она расщепляется на два неидентичных трехуглеродных соединения. Вскоре они принимают появившуюся химическую форму и перестраиваются в результате ряда этапов, в результате чего образуются две молекулы пируват. По пути потребляются две молекулы АТФ (они поставляют два фосфата, добавленные к глюкозе на ранней стадии) и четыре образуются, по две в каждом трехуглеродном процессе, с получением двух молекул АТФ на молекулу глюкоза.

У бактерий одного гликолиза достаточно для удовлетворения энергетических потребностей клетки и, следовательно, всего организма. Но у растений и животных дело обстоит иначе, и с пируватом окончательная судьба глюкозы еще только началась. Следует отметить, что сам по себе гликолиз не требует кислорода, но кислород обычно входит в состав дискуссии об аэробном дыхании и, следовательно, клеточном дыхании, потому что оно требуется для синтеза пируват.

Среди энтузиастов биологии распространено заблуждение, что хлоропласты у растений выполняют ту же функцию, что и митохондрии у животных, и что каждый тип организма имеет только одно или другое. Это не так. У растений есть и хлоропласты, и митохондрии, тогда как у животных есть только митохондрии. Растения используют хлоропласты в качестве генераторов - они используют небольшой источник углерода (CO₂), чтобы построить больший (глюкоза). Клетки животных получают глюкозу, расщепляя макромолекулы, такие как углеводы, белки и жиры, и поэтому им не нужно создавать глюкозу изнутри. В случае с растениями это может показаться странным и неэффективным, но растения развили одну особенность, которой нет у животных: способность использовать солнечный свет для непосредственного использования в метаболических функциях. Это позволяет растениям буквально готовить себе пищу.

Считается, что митохондрии были разновидностью автономных бактерий много сотен миллионов лет назад. замечательное структурное сходство с бактериями, а также их метаболический аппарат и наличие их собственной ДНК и органелл, называемых рибосомы. Эукариоты впервые появились более миллиарда лет назад, когда одной клетке удалось поглотить другую (гипотеза эндосимбионтов), приводя к расположению, которое было очень выгодным для поглощающего в этом расположении из-за расширенного производства энергии возможности. Митохондрии состоят из двойной плазматической мембраны, как и сами клетки; внутренняя мембрана включает складки, называемые кристами. Внутренняя часть митохондрий известна как матрица и аналогична цитоплазме целых клеток.

Хлоропласты, как и митохондрии, имеют внешнюю и внутреннюю мембраны и собственную ДНК. Внутри пространства, ограниченного внутренней мембраной, находится набор взаимосвязанных, слоистых и заполненных жидкостью мембранных мешочков, называемых тилакоидами. Каждый «стек» тилакоидов образует гранум (множественное число: грана). Жидкость во внутренней мембране, окружающей грану, называется стромой.

Хлоропласты содержат пигмент под названием хлорофилл, который придает растениям зеленую окраску и служит сборщиком солнечного света для фотосинтеза. Уравнение фотосинтеза в точности противоположно уравнению клеточного дыхания, но отдельные шаги, которые нужно выполнить, углекислый газ в глюкозу никоим образом не напоминает обратные реакции цепи переноса электронов, цикла Кребса и гликолиз.

В этом процессе, также называемом циклом трикарбоновой кислоты (ТСА) или циклом лимонной кислоты, молекулы пирувата сначала преобразуются в двухуглеродные молекулы, называемые ацетилкоферментом А (ацетил-Коэнзим А). Это высвобождает молекулу CO.₂. Затем молекулы ацетил-КоА попадают в митохондриальный матрикс, где каждая из них соединяется с четырехуглеродной молекулой оксалоацетата с образованием лимонной кислоты. Таким образом, если вы ведете тщательный учет, одна молекула глюкозы приводит к двум молекулам лимонной кислоты в начале цикла Кребса.

Лимонная кислота, молекула с шестью атомами углерода, перестраивается в изоцитрат, а затем атом углерода отделяется с образованием кетоглутарата с CO₂ выход из цикла. Кетоглутарат, в свою очередь, лишается другого атома углерода, образуя еще один CO.₂ и сукцинат, а также образующий молекулу АТФ. Оттуда четырехуглеродная молекула сукцината последовательно превращается в фумарат, малат и оксалоацетат. В этих реакциях ионы водорода удаляются из этих молекул и прикрепляются к носителям электронов высокой энергии NAD + и FAD + с образованием NADH и FADH.₂ соответственно, что, по сути, является замаскированным энергетическим «творением», как вы скоро увидите. В конце цикла Кребса исходная молекула глюкозы дает 10 НАДН и два ФАДН.₂ молекулы.

Реакции цикла Кребса производят только две молекулы АТФ на исходную молекулу глюкозы, по одной на каждый «виток» цикла. Это означает, что в дополнение к двум АТФ, образующимся при гликолизе, после цикла Кребса в результате получается всего четыре АТФ. Но реальные результаты аэробного дыхания еще не раскрыты на данном этапе.

Цепь переноса электронов, которая происходит на кристах внутренней митохондриальной мембраны, является первым этапом клеточного дыхания, которое явно зависит от кислорода. НАДХ и ФАД₂ произведенные в цикле Кребса, теперь готовы вносить большой вклад в высвобождение энергии.

Это происходит так: ионы водорода накапливаются на этих молекулах-носителях электронов (ион водорода может, например, настоящих целей, рассматриваться как электронная пара с точки зрения ее вклада в эту часть дыхания) используются для создать хемиосмотический градиент. Возможно, вы слышали о градиенте концентрации, при котором молекулы текут из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией, такие как кубик сахара, растворяющийся в воде, и частицы сахара становятся диспергированными через. Однако в хемиосмотическом градиенте электроны НАДН и ФАДН₂ в конечном итоге передаются белками, встроенными в мембрану и служащими системами переноса электронов. Энергия, выделяемая в этом процессе, используется для прокачки ионов водорода через мембрану и создания градиента концентрации на ней. Это приводит к чистому потоку атомов водорода в одном направлении, и этот поток используется для питания фермента, называемого АТФ-синтаза, который производит АТФ из АДФ и P. Думайте о цепи переноса электронов как о чем-то, что помещает большой вес воды за водяное колесо, последующее вращение которого используется для создания вещей.

Не случайно это тот же процесс, который используется в хлоропластах для синтеза глюкозы. Источником энергии для создания градиента через мембрану хлоропласта в данном случае является не НАДН и ФАДН.₂, но солнечный свет. Последующий поток ионов водорода в направлении более низкой концентрации ионов H + используется для синтеза более крупных молекул углерода из более мелких, начиная с CO.₂ и заканчивая C₆ЧАС₁₂О₆.

Энергия, которая течет из хемиосмотического градиента, используется не только для выработки АТФ, но и для других жизненно важных клеточных процессов, таких как синтез белка. Если цепь переноса электронов прерывается (как при длительном недостатке кислорода), этот протонный градиент не может поддерживаться и Производство клеточной энергии прекращается, так же как водяное колесо перестает течь, когда вода вокруг него больше не имеет давления. градиент.

Поскольку экспериментально было показано, что каждая молекула НАДН производит около трех молекул АТФ и каждую молекулу ФАДН₂ производит две молекулы АТФ, общая энергия, высвобождаемая цепной реакцией переноса электронов, равна (с учетом предыдущего раздела) 10 умножить на 3 (для НАДН) плюс 2 раза на 2 (для ФАДН₂) всего 34 АТФ. Добавьте это к 2 АТФ из гликолиза и 2 из цикла Кребса, и вот откуда берется цифра 38 АТФ в уравнении для аэробного дыхания.