Какова функция аэробного дыхания?

Аэробное дыхание, термин, часто используемый как синоним «клеточного дыхания», - это удивительно эффективный способ для живых существ извлекают энергию, хранящуюся в химических связях углеродных соединений в присутствии кислорода, и используют эту извлеченную энергию для использования в метаболических процессах. процессы. Все эукариотические организмы (т.е. животные, растения и грибы) используют аэробное дыхание, главным образом благодаря наличию клеточных органелл, называемых митохондриями. Некоторые прокариотические организмы (например, бактерии) используют более рудиментарные пути аэробного дыхания, но в целом, когда вы видите «аэробное дыхание», вы должны думать «многоклеточный эукариотический организм». организм."

Но это еще не все, что должно прийти вам в голову. Далее вы узнаете все, что вам нужно знать об основных химических путях аэробного дыхания, и почему это происходит. такой важный набор реакций, и как все это началось в ходе биологических и геологических история.

Весь клеточный метаболизм питательных веществ начинается с молекул глюкозы. Этот шестиуглеродный сахар может быть получен из продуктов всех трех классов макроэлементов (углеводов, белков и жиров), хотя сама глюкоза является простым углеводом. В присутствии кислорода глюкоза превращается и расщепляется в цепочке из примерно 20 реакций с образованием углекислого газа, воды, тепла и т. Д. и 36 или 38 молекул аденозинтрифосфата (АТФ), молекулы, наиболее часто используемой клетками всех живых существ в качестве прямого источника топливо. Разница в количестве АТФ, продуцируемого аэробным дыханием, отражает тот факт, что клетки растений иногда выжимают 38 АТФ из одной молекулы глюкозы, в то время как животные клетки производят 36 АТФ на глюкозу. молекула. Этот АТФ образуется в результате объединения свободных молекул фосфата (P) и аденозиндифосфата (ADP), при этом почти все это происходит на самых последних стадиях аэробного дыхания в реакциях переноса электронов. цепь.

Полная химическая реакция, описывающая аэробное дыхание, такова:

C₆ЧАС₁₂О₆ + 36 (или 38) ADP + 36 (или 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 ккал + 36 (или 38) АТФ.

Хотя сама реакция в этой форме кажется достаточно простой, она противоречит множеству шагов, которые нужно предпринять, чтобы выйти из ситуации. левая часть уравнения (реагенты) в правую (продукты, включая 420 килокалорий высвободившихся нагревать). По соглашению, вся совокупность реакций делится на три части в зависимости от того, где каждая из них происходит: гликолиз (цитоплазма), цикл Кребса (митохондриальный матрикс) и цепь переноса электронов (внутренняя митохондриальная мембрана). Однако, прежде чем подробно исследовать эти процессы, следует взглянуть на то, как аэробное дыхание зародилось на Земле.

Функция аэробного дыхания заключается в обеспечении топливом для восстановления, роста и поддержания клеток и тканей. Это несколько формальный способ отметить, что аэробное дыхание поддерживает жизнь эукариотических организмов. В большинстве случаев вы можете прожить много дней без еды и, по крайней мере, несколько дней без воды, но только несколько минут без кислорода.

Кислород (O) содержится в нормальном воздухе в двухатомной форме, O₂. Этот элемент был в некотором смысле обнаружен в 1600-х годах, когда ученым стало очевидно, что воздух содержит элемент жизненно важен для выживания животных, который может быть истощен в замкнутой среде пламенем или, в более долгосрочной перспективе, дыхание.

Кислород составляет около одной пятой смеси газов, которые вы вдыхаете. Но так было не всегда за 4,5 миллиарда лет истории планеты, и изменение количество кислорода в атмосфере Земли с течением времени оказало предсказуемо сильное влияние на биологические эволюция. В течение первой половины текущей жизни планеты было нет кислород в воздухе. К 1,7 миллиарда лет назад атмосфера на 4 процента состояла из кислорода, и появились одноклеточные организмы. 0,7 миллиарда лет назад O₂ состоит от 10 до 20 процентов воздуха, и появились более крупные многоклеточные организмы. По состоянию на 300 миллионов лет назад содержание кислорода в воздухе возросло до 35 процентов, и, соответственно, динозавры и другие очень крупные животные были нормой. Позже доля воздуха, принадлежащая O₂ упал до 15 процентов, пока снова не поднялся до сегодняшнего уровня.

Если проследить только эту закономерность, то с научной точки зрения кажется чрезвычайно вероятным, что конечная функция кислорода - заставлять животных расти.

Десять реакций гликолиза сами по себе не требуют кислорода для протекания, и гликолиз в некоторой степени происходит у всех живых существ, как прокариотических, так и эукариотических. Но гликолиз является необходимым предшественником определенных аэробных реакций клеточного дыхания, и он обычно описывается вместе с ними.

Как только глюкоза, шестиуглеродная молекула с гексагональной кольцевой структурой, попадает в цитоплазму клетки, она немедленно фосфорилируется, что означает, что у нее есть фосфатная группа, присоединенная к одному из ее атомов углерода. Это эффективно захватывает молекулу глюкозы внутри клетки, придавая ей чистый отрицательный заряд. Затем молекула перестраивается в фосфорилированную фруктозу без потери или увеличения атомов, прежде чем к молекуле будет добавлен еще один фосфат. Это дестабилизирует молекулу, которая затем фрагментируется на пару трехуглеродных соединений, каждое из которых имеет свой собственный фосфат. Одна из них преобразуется в другую, а затем, в несколько этапов, две трехуглеродные молекулы отдают свои фосфаты молекулам АДФ (аденозиндифосфат) с образованием 2 АТФ. Исходная шестиуглеродная молекула глюкозы превращается в две молекулы из трехуглеродной молекулы, называемой пируватом, и, кроме того, образуются две молекулы НАДН (подробно обсуждаемые позже).

Пируват в присутствии кислорода перемещается в матрицу (подумайте «середина») клеточных органелл. называется митохондриями и превращается в двухуглеродное соединение, называемое ацетилкоферментом А (ацетил CoA). При этом молекула углекислого газа (CO₂). При этом молекула НАД⁺ (так называемый носитель электронов высокой энергии) преобразуется в НАДН.

Цикл Кребса, также называемый циклом лимонной кислоты или циклом трикарбоновой кислоты, называется циклом, а не реакцией. потому что один из его продуктов, оксалоацетат с четырехуглеродной молекулой, снова входит в начало цикла, соединяясь с молекулой ацетил-КоА. В результате образуется шестиуглеродная молекула, называемая цитратом. Эта молекула преобразуется серией ферментов в пятиуглеродное соединение, называемое альфа-кетоглутаратом, которое затем теряет еще один углерод с образованием сукцината. Каждый раз, когда углерод теряется, он находится в форме CO.₂, и поскольку эти реакции являются энергетически выгодными, каждая потеря диоксида углерода сопровождается превращением другого НАД⁺ в НАД. Образование сукцината также создает молекулу АТФ.

Сукцинат превращается в фумарат, образуя одну молекулу FADH.₂ из ФАД²⁺ (переносчик электронов, подобный NAD⁺ в функции). Он превращается в малат, образуя другой НАДН, который затем превращается в оксалоацетат.

Если вы ведете счет, вы можете сосчитать 3 НАДН, 1 ФАДН₂ и 1 АТФ на оборот цикла Кребса. Но имейте в виду, что каждая молекула глюкозы поставляет две молекулы ацетил-КоА для входа в цикл, поэтому общее количество синтезированных молекул составляет 6 НАДН, 2 ФАДН.₂ и 2 АТФ. Таким образом, цикл Кребса напрямую не генерирует много энергии - всего 2 АТФ на молекулу глюкозы, подаваемую выше по потоку, - и кислород также не требуется. Но НАДХ и ФАД₂ имеют решающее значение для окислительного фосфорилирования шаги в следующей серии реакций, в совокупности называемых цепью переноса электронов.

Различные молекулы НАДН и ФАДН₂ созданные на предыдущих этапах клеточного дыхания, готовы к использованию в цепи переноса электронов, которая происходит в складках внутренней митохондриальной мембраны, называемых кристами. Короче говоря, электроны высоких энергий, прикрепленные к НАД⁺ и FAD²⁺ используются для создания протонного градиента через мембрану. Это просто означает, что существует более высокая концентрация протонов (H⁺ ионов) на одной стороне мембраны, чем на другой стороне, создавая для этих ионов стимул течь из областей с более высокой концентрацией протонов в области с более низкой концентрацией протонов. Таким образом, протоны ведут себя немного иначе, чем, скажем, вода, которая «хочет» переместиться из области с более высокой высотой в область с более низкой высотой. концентрация - здесь под действием силы тяжести вместо так называемого хемиосмотического градиента, наблюдаемого при переносе электронов цепь.

Подобно турбине на гидроэлектростанции, использующей энергию текущей воды для работы в другом месте (в этом случае для выработки электричества), часть энергии, создаваемой протоном градиент через мембрану улавливается для присоединения свободных фосфатных групп (P) к молекулам АДФ, чтобы генерировать АТФ, процесс, называемый фосфорилированием (и в данном случае окислительным фосфорилирование). Фактически, это происходит снова и снова в цепи переноса электронов, пока все NADH и FADH₂ от гликолиза и цикла Кребса - примерно 10 из первых и два из последних - используются. Это приводит к созданию около 34 молекул АТФ на молекулу глюкозы. Поскольку гликолиз и цикл Кребса производят по 2 АТФ на молекулу глюкозы, общее количество высвобождаемой энергии, по крайней мере, в идеальных условиях, составляет 34 + 2 + 2 = 38 всего АТФ.

В цепи переноса электронов есть три разных точки, в которых протоны могут пересекать внутреннюю митохондриальную мембрану и проникать в пространство между ними. позже и внешнюю митохондриальную мембрану, а также четыре различных молекулярных комплекса (пронумерованные I, II, III и IV), которые образуют физические якорные точки цепь.

Цепь переноса электронов требует кислорода, потому что O₂ служит последним акцептором электронных пар в цепи. Если кислорода нет, реакции в цепочке быстро прекращаются, потому что прекращается «нисходящий» поток электронов; им некуда идти. Среди веществ, способных парализовать цепь переноса электронов, есть цианид (CN^-). Вот почему вы, возможно, видели цианид, используемый как смертельный яд в шоу об убийствах или шпионских фильмах; когда его вводят в достаточных дозах, у реципиента останавливается аэробное дыхание, а вместе с ним и сама жизнь.

Часто предполагается, что растения подвергаются фотосинтезу, чтобы создать кислород из углекислого газа, в то время как животные используют дыхание для выработки углекислого газа из кислорода, тем самым помогая сохранить аккуратный, дополнительный остаток средств. Хотя на первый взгляд это верно, это вводит в заблуждение, потому что растения используют как фотосинтез, так и аэробное дыхание.

Поскольку растения не могут есть, они должны производить, а не глотать пищу. Это то, для чего нужен фотосинтез, серия реакций, которые происходят в органеллах, в которых отсутствуют животные, которые называются хлоропластами. Работает от солнечного света, CO₂ внутри растительной клетки собирается в глюкозу внутри хлоропластов в несколько этапов, которые напоминают цепь переноса электронов в митохондриях. Затем глюкоза высвобождается из хлоропласта; большинство из них становится структурной частью растения, но некоторые подвергаются гликолизу, а затем проходят остальную часть аэробного дыхания после попадания в митохондрии растительной клетки.