Bunkové dýchanie: definícia, rovnica a kroky

Filozof Bertrand Russell povedal: „Každý živý tvor je akýsi imperialista, ktorý sa snaží čo najviac transformovať jej prostredia do seba. “Metafory stranou, bunkové dýchanie je formálny spôsob, akým nakoniec živé bytosti fungujú toto. Bunkové dýchanie prijíma látky zachytené z vonkajšieho prostredia (zdroje vzduchu a uhlíka) a premieňa ich na energiu na stavbu ďalších buniek a tkanív a na udržanie života činnosti. Taktiež generuje odpadové produkty a vodu. To si nemožno zamieňať s „dýchaním“ v každodennom zmysle, čo zvyčajne znamená to isté ako „dýchanie“. Dýchanie je ako organizmy získavajú kyslík, ale nie je to to isté ako so spracovaním kyslíka a dýchanie nedokáže dodať uhlík, ktorý je tiež potrebný dýchanie; o to sa stará strava, minimálne u zvierat.

Bunkové dýchanie sa vyskytuje u rastlín aj živočíchov, ale nie u prokaryotov (napr. Baktérií), ktoré im chýbajú mitochondrie a ďalšie organely, a preto nemôžu využívať kyslík a obmedzovať ich na glykolýzu ako energiu zdroj. Rastliny sú možno častejšie spojené s fotosyntézou ako s dýchaním, ale fotosyntéza je taká zdroj kyslíka na dýchanie rastlinných buniek, ako aj zdroj kyslíka vychádzajúci z rastliny, ktorý môže byť použitý zvieratá. Konečným vedľajším produktom v oboch prípadoch je ATP alebo adenozíntrifosfát, primárny nosič chemickej energie v živých organizmoch.

Bunkové dýchanie, často nazývané aeróbne dýchanie, je úplné odbúranie molekuly glukózy v prítomnosti kyslíka za vzniku oxidu uhličitého a vody:

C.₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P -> 6CO₂ + 6 H₂O + 38 ATP + 420 kcal

Táto rovnica má oxidačnú zložku (C₆H₁₂O₆ -> 6CO₂), v zásade odstránenie elektrónov vo forme atómov vodíka. Má tiež redukčnú zložku 6O₂ -> 6 h₂O, čo je prídavok elektrónov vo forme vodíka.

Čo znamená rovnica ako celok, je to, že energia zadržiavaná v chemických väzbách reaktantov je používa sa na pripojenie adenozíndifosfátu (ADP) k voľným atómom fosforu (P) na generovanie adenozíntrifosfátu (ATP).

Celý proces zahŕňa niekoľko krokov: Glykolýza prebieha v cytoplazme a potom nasleduje Krebs cyklu a reťazec transportu elektrónov v mitochondriálnej matici a na mitochondriálnej membráne resp.

Prvým krokom pri odbúravaní glukózy u rastlín a zvierat je séria 10 reakcií známych ako glykolýza. Glukóza vstupuje do živočíšnych buniek zvonku prostredníctvom potravín, ktoré sa štiepia na molekuly glukózy ktoré cirkulujú v krvi a sú prijímané tkanivami, kde je najviac potrebná energia (vrátane mozog). Rastliny naopak syntetizujú glukózu z vonkajšieho prijímania oxidu uhličitého a pomocou fotosyntézy na premenu CO₂ na glukózu. V tomto okamihu, bez ohľadu na to, ako sa tam dostala, je každá molekula glukózy zaviazaná rovnakému osudu.

Na začiatku glykolýzy je molekula glukózy so šiestimi uhlíkmi fosforylovaná, aby ju zachytila ​​vo vnútri bunky; fosfáty sú negatívne nabité, a preto sa nemôžu driftovať cez bunkovú membránu tak, ako to niekedy môžu nepolárne, nenabité molekuly. Pridá sa druhá molekula fosfátu, čo spôsobí nestabilitu molekuly a tá sa čoskoro štiepi na dve neidentické trojuhlíkové zlúčeniny. Tieto čoskoro predpokladajú chemickú formu a sú usporiadané v sérii krokov, vďaka ktorým sa nakoniec získajú dve molekuly pyruvát. Postupom času sa spotrebúvajú dve molekuly ATP (dodávajú dva fosfáty pridané ku glukóze na začiatku) a štyri sú produkované, dve každým z troch uhlíkových procesov, za vzniku siete dvoch molekúl ATP na molekulu glukóza.

V prípade baktérií postačuje samotná glykolýza na energetickú potrebu bunky - a teda aj celého organizmu. Ale u rastlín a živočíchov to tak nie je a s pyruvátom konečný osud glukózy sotva začal. Je potrebné poznamenať, že samotná glykolýza nevyžaduje kyslík, ale kyslík je všeobecne obsiahnutý v diskusie o aeróbnom dýchaní, a teda o bunkovom dýchaní, pretože je potrebné ich syntetizovať pyruvát.

Medzi nadšencami biológie je mylná predstava, že chloroplasty majú v rastlinách rovnakú funkciu ako mitochondrie u zvierat a že každý typ organizmu má iba jeden alebo druhý. Nie je to tak. Rastliny majú chloroplasty aj mitochondrie, zatiaľ čo zvieratá majú iba mitochondrie. Rastliny používajú ako generátory chloroplasty - využívajú malý zdroj uhlíka (CO₂), aby sa vytvoril väčší (glukóza). Živočíšne bunky získavajú svoju glukózu rozkladom makromolekúl, ako sú sacharidy, bielkoviny a tuky, a preto nemusia vytvárať glukózu zvnútra. To sa v prípade rastlín môže javiť ako čudné a neúčinné, ale u rastlín sa vyvinula jedna vlastnosť, ktorú zvieratá nemajú: schopnosť využívať slnečné svetlo na priame použitie pri metabolických funkciách. To umožňuje rastlinám doslova si vyrobiť vlastnú potravu.

Predpokladá sa, že mitochondrie boli druhom voľne stojacich baktérií pred mnohými stovkami miliónov rokov, čo je teória podporovaná ich pozoruhodnú štrukturálnu podobnosť s baktériami, ako aj ich metabolickým mechanizmom a prítomnosťou vlastnej DNA a nazývaných organel ribozómy. Eukaryoty prvýkrát vznikli pred viac ako miliardou rokov, keď sa jednej bunke podarilo pohltiť druhú (hypotéza endosymbiontu), čo viedlo k usporiadaniu, ktoré bolo veľmi užitočné pre motoristov v tomto usporiadaní z dôvodu rozšírenej výroby energie schopnosti. Mitochondrie pozostávajú z dvojitej plazmatickej membrány, ako samotné bunky; vnútorná membrána obsahuje záhyby nazývané cristae. Vnútorná časť mitochondrií je známa ako matrica a je analogická s cytoplazmou celých buniek.

Chloroplasty, podobne ako mitochondrie, majú vonkajšiu a vnútornú membránu a vlastnú DNA. Vo vnútri priestoru obklopeného vnútornou membránou leží sortiment vzájomne prepojených, vrstvených a tekutinou plnených membránových vreciek nazývaných tylakoidy. Každý „stoh“ tylakoidov tvorí granum (množné číslo: grana). Tekutina vo vnútornej membráne, ktorá obklopuje granu, sa nazýva stróma.

Chloroplasty obsahujú pigment nazývaný chlorofyl, ktorý dodáva rastlinám zelené sfarbenie a slúži ako zberač slnečného žiarenia na fotosyntézu. Rovnica pre fotosyntézu je úplne opačná ako rovnica bunkového dýchania, sú to však jednotlivé kroky, z ktorých je potrebné sa dostať oxid uhličitý na glukózu sa v žiadnom prípade nepodobajú na reverzné reakcie elektrónového transportného reťazca, Krebsov cyklus a glykolýza.

V tomto procese, ktorý sa tiež nazýva cyklus trikarboxylovej kyseliny (TCA) alebo cyklus kyseliny citrónovej, sa molekuly pyruvátu najskôr premenia na molekuly s dvoma uhlíkmi, ktoré sa nazývajú acetyl koenzým A (acetyl CoA). Týmto sa uvoľní molekula CO₂. Molekuly acetyl CoA potom vstupujú do mitochondriálnej matrice, kde sa každá z nich kombinuje so štvoruhlíkovou molekulou oxaloacetátu za vzniku kyseliny citrónovej. Ak teda robíte pozorné počítanie, výsledkom jednej molekuly glukózy sú na začiatku Krebsovho cyklu dve molekuly kyseliny citrónovej.

Kyselina citrónová, molekula so šiestimi uhlíkmi, sa preskupí na izocitrát a potom sa atóm uhlíka oddestiluje za vzniku ketoglutarátu s CO₂ opustenie cyklu. Ketoglutarát je zase zbavený ďalšieho atómu uhlíka za vzniku ďalšieho CO₂ a sukcinát a tiež za vzniku molekuly ATP. Odtiaľ sa molekula štvoruhlíkového sukcinátu postupne transformuje na fumarát, malát a oxaloacetát. Tieto reakcie vidia vodíkové ióny odstránené z týchto molekúl a viazané na vysokoenergetické elektrónové nosiče NAD + a FAD + za vzniku NADH a FADH₂ respektíve, čo je v podstate maskovaná „tvorba“ energie, ako čoskoro uvidíte. Na konci Krebsovho cyklu vyvolala pôvodná molekula glukózy 10 NADH a dva FADH₂ molekuly.

Reakcie Krebsovho cyklu produkujú iba dve molekuly ATP na pôvodnú molekulu glukózy, jednu pre každé „otočenie“ cyklu. To znamená, že okrem dvoch ATP produkovaných pri glykolýze sú po Krebsovom cykle výsledkom celkovo štyri ATP. Skutočné výsledky aeróbneho dýchania sa však v tejto fáze ešte musia rozvinúť.

Elektrónový transportný reťazec, ktorý sa vyskytuje na kristách vnútornej mitochondriálnej membrány, je prvým krokom v bunkovom dýchaní, ktorý sa výslovne spolieha na kyslík. NADH a FADH₂ vyrobené v Krebsovom cykle sú teraz pripravené prispievať hlavným spôsobom k uvoľňovaniu energie.

Stáva sa to tak, že ióny vodíka uložené na týchto molekulách elektrónových nosičov (napríklad vodíkový ión môžu byť) účely sa považujú za elektrónový pár, pokiaľ ide o jeho príspevok k tejto časti dýchania) Vytvor chemiosmotický gradient. Možno ste už počuli o koncentračnom gradiente, v ktorom molekuly prúdia z oblastí s vyššou koncentráciou do oblasti s nižšou koncentráciou, ako kocka cukru rozpustená vo vode a čiastočky cukru sa rozptýlia cez. V chemiosmotickom gradiente však elektróny z NADH a FADH₂ nakoniec prechádzajú proteínmi zabudovanými v membráne a slúžia ako systémy na prenos elektrónov. Energia uvoľnená v tomto procese sa používa na prečerpanie vodíkových iónov cez membránu a vytvorenie koncentračného gradientu cez ňu. To vedie k čistému toku atómov vodíka v jednom smere a tento tok sa používa na napájanie enzýmu nazývaného ATP syntáza, ktorý vytvára ATP z ADP a P. Predstavte si reťazec transportu elektrónov ako niečo, čo kladie za vodné koleso veľkú váhu vody, ktorej následné otáčanie sa používa na výrobu vecí.

Toto nie je náhodne rovnaký proces, aký sa používa v chloroplastoch na napájanie syntézy glukózy. Zdroj energie na vytvorenie gradientu cez chloroplastovú membránu v tomto prípade nie je NADH a FADH₂, ale slnečné svetlo. Následný tok vodíkových iónov v smere nižšej koncentrácie iónov H + sa používa na napájanie syntézy väčších molekúl uhlíka z menších, počnúc CO₂ a končiac s C.₆H₁₂O₆.

Energia, ktorá prúdi z chemiosmotického gradientu, sa používa na napájanie nielen produkcie ATP, ale aj ďalších životne dôležitých bunkových procesov, ako je syntéza bielkovín. Ak je prerušený reťazec transportu elektrónov (ako pri dlhodobej deprivácii kyslíka), nemožno tento protónový gradient udržať a produkcia bunkovej energie sa zastaví, rovnako ako vodné koleso prestane prúdiť, keď voda okolo neho prestane prúdiť tlakom sklon.

Pretože sa experimentálne ukázalo, že každá molekula NADH produkuje asi tri molekuly ATP a každý FADH₂ produkuje dve molekuly ATP, celková energia uvoľnená reťazovou reakciou elektrónov je (s odkazom na predchádzajúcu časť) 10-krát 3 (pre NADH) plus 2-krát 2 (pre FADH₂) spolu 34 ATP. Pridajte toto k 2 ATP z glykolýzy a 2 z Krebsovho cyklu, a odtiaľ pochádza údaj 38 ATP v rovnici pre aeróbne dýchanie.