Aká je funkcia aeróbneho dýchania?

Aeróbne dýchanie, termín často zameniteľný s pojmom „bunkové dýchanie“, je úžasne vysoko výnosným spôsobom, ako môžu živé extrahovať energiu uloženú v chemických väzbách zlúčenín uhlíka v prítomnosti kyslíka a túto extrahovanú energiu využiť na metabolické účely procesy. Eukaryotické organizmy (t. J. Zvieratá, rastliny a huby) využívajú aeróbne dýchanie hlavne vďaka prítomnosti bunkových organel nazývaných mitochondrie. Niekoľko prokaryotických organizmov (t. J. Baktérií) využíva viac rudimentárnych aeróbnych dýchacích ciest, ale všeobecne, keď uvidíte „aeróbne dýchanie“, mali by ste si myslieť „mnohobunkový eukaryotický“ organizmus. ““

Ale to nie je všetko, čo by vám malo skočiť do mysle. Nasledujúce informácie vám povedia všetko, čo potrebujete vedieť o základných chemických cestách aeróbneho dýchania, prečo to je taký zásadný súbor reakcií a ako sa to všetko začalo v priebehu biologických a geologických procesov história.

Celý bunkový metabolizmus živín začína molekulami glukózy. Tento šesťuhlíkový cukor možno odvodiť z potravín vo všetkých troch triedach makroživín (sacharidy, bielkoviny a tuky), hoci samotná glukóza je jednoduchý sacharid. V prítomnosti kyslíka sa glukóza transformuje a rozkladá v reťazci asi 20 reakcií, aby sa vytvoril oxid uhličitý, voda, teplo, a 36 alebo 38 molekúl adenozíntrifosfátu (ATP), molekuly, ktorú najčastejšie používajú bunky všetkého živého ako priamy zdroj palivo. Zmeny v množstve ATP produkovanom aeróbnym dýchaním odrážajú skutočnosť, že rastliny sú bunky niekedy vytlačte z jednej molekuly glukózy 38 ATP, zatiaľ čo živočíšne bunky generujú 36 ATP na glukózu molekula. Tento ATP pochádza z kombinácie voľných molekúl fosfátu (P) a adenozíndifosfátu (ADP), s takmer všetkými toto nastáva v posledných fázach aeróbneho dýchania pri reakciách transportu elektrónov reťaz.

Kompletná chemická reakcia popisujúca aeróbne dýchanie je:

C.₆H₁₂O₆ + 36 (alebo 38) ADP + 36 (alebo 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6 H₂O + 420 kcal + 36 (alebo 38) ATP.

Aj keď sa samotná reakcia javí v tejto podobe dostatočne priamočiara, je v rozpore s množstvom krokov, ktoré sú potrebné na uskutočnenie reakcie ľavá strana rovnice (reaktanty) na pravú stranu (výrobky vrátane 420 kilokalórií uvoľneného teplo). Podľa konvencie je celá zbierka reakcií rozdelená do troch častí podľa toho, kde k každej z nich dôjde: glykolýza (cytoplazma), Krebsov cyklus (mitochondriálna matrica) a elektrónový transportný reťazec (vnútorný mitochondriálny membrána). Pred podrobným preskúmaním týchto procesov je však v poriadku pohľad na to, ako sa na Zemi začalo aeróbne dýchanie.

Funkciou aeróbneho dýchania je dodávať palivo na opravu, rast a údržbu buniek a tkanív. Toto je trochu formálny spôsob poznamenania, že aeróbne dýchanie udržuje eukaryotické organizmy nažive. Bez jedla ste mohli vydržať veľa dní a vo väčšine prípadov aspoň pár bez vody, bez kyslíka však iba pár minút.

Kyslík (O) sa nachádza v normálnom vzduchu v jeho dvojatómovej forme, O₂. Tento prvok bol objavený v istom zmysle v 16. storočí, keď vedcom vyšlo najavo, že vzduch obsahuje prvok životne dôležité pre prežitie zvierat, takých, ktoré by sa v uzavretom prostredí mohli vyčerpať plameňom alebo z dlhodobého hľadiska dýchanie.

Kyslík predstavuje asi jednu pätinu zmesi plynov, ktoré dýchate. Ale nie vždy to tak bolo v 4,5 miliárdročnej histórii planéty a zmene v množstvo kyslíka v zemskej atmosfére v priebehu času malo predvídateľne hlboké účinky na biologické vývoj. Počas prvej polovice súčasného života planéty to tak bolo č kyslík vo vzduchu. Pred 1,7 miliardami rokov atmosféra pozostávala zo 4 percent kyslíka a objavili sa jednobunkové organizmy. Pred 0,7 miliardami rokov, O₂ tvorilo 10 až 20 percent vzduchu a objavili sa väčšie mnohobunkové organizmy. Pred 300 miliónmi rokov vzrástol obsah kyslíka na 35 percent vzduchu a zodpovedajúcim spôsobom boli normou aj dinosaury a ďalšie veľmi veľké zvieratá. Neskôr podiel vzduchu držaný O₂ klesla na 15 percent, kým opäť nezvýšila na dnešnú úroveň.

Už zo samotného sledovania tohto vzoru je zrejmé, že sa zdá byť mimoriadne vedecky pravdepodobné, že konečnou funkciou kyslíka je zväčšiť veľkosť zvierat.

10 reakcií glykolýzy samo o sebe nevyžaduje kyslík a glykolýza sa do istej miery vyskytuje u všetkého živého, prokaryotického aj eukaryotického. Glykolýza je ale nevyhnutným prekurzorom špecifických aeróbnych reakcií bunkového dýchania a spolu s nimi sa bežne popisuje.

Akonáhle glukóza, šesťuhlíková molekula s hexagonálnou kruhovou štruktúrou, vstúpi do cytoplazmy bunky, je okamžite fosforylovaná, čo znamená, že má na svojom uhlíku pripojenú fosfátovú skupinu. Toto účinne zachytáva molekulu glukózy vo vnútri bunky tým, že jej dáva čistý negatívny náboj. Molekula je potom preskupená na fosforylovanú fruktózu bez straty alebo prírastku atómov predtým, ako je k molekule pridaný ďalší fosfát. To destabilizuje molekulu, ktorá potom fragmentuje na pár trojuhlíkových zlúčenín, z ktorých každá má pripojený vlastný fosfát. Jeden z nich sa transformuje na druhý a potom sa v sérii krokov dve molekuly s tromi uhlíkmi vzdajú svojich fosfátov molekulám ADP (adenozíndifosfát), čím sa získa 2 ATP. Pôvodná molekula glukózy so šiestimi uhlíkmi končí ako dve molekuly molekuly s tromi uhlíkmi, ktorá sa nazýva pyruvát, a navyše sa vytvárajú dve molekuly NADH (podrobnejšie popísané neskôr).

Pyruvát sa v prítomnosti kyslíka presúva do matice (myslíte „stredne“) bunkových organel nazývané mitochondrie a premieňa sa na dvojuhlíkovú zlúčeninu nazývanú acetyl koenzým A (acetyl CoA). V tomto procese molekula oxidu uhličitého (CO₂). V tomto procese, molekula NAD⁺ (takzvaný vysokoenergetický nosič elektrónov) sa prevádza na NADH.

Krebsov cyklus, tiež nazývaný cyklus kyseliny citrónovej alebo cyklus trikarboxylových kyselín, sa označuje skôr ako cyklus ako reakcia. pretože jeden z jeho produktov, štvoruhlíková molekula oxaloacetát, znovu vstupuje na začiatok cyklu kombináciou s molekulou acetyl CoA. To vedie k šesťuhlíkovej molekule nazývanej citrát. Táto molekula je pomocou série enzýmov manipulovaná do päťuhlíkovej zlúčeniny nazývanej alfa-ketoglutarát, ktorá potom stráca ďalší uhlík za vzniku sukcinátu. Vždy, keď sa uhlík stratí, je vo forme CO₂, a pretože tieto reakcie sú energeticky priaznivé, je každá strata oxidu uhličitého sprevádzaná konverziou iného NAD⁺ do NAD. Tvorbou sukcinátu sa tiež vytvára molekula ATP.

Sukcinát sa premieňa na fumarát za vzniku jednej molekuly FADH₂ z FAD²⁺ (nosič elektrónov podobný NAD⁺ vo funkcii). Tento sa prevedie na malát, čím sa získa ďalší NADH, ktorý sa potom transformuje na oxaloacetát.

Ak držíte skóre, môžete počítať 3 NADH, 1 FADH₂ a 1 ATP na jedno otočenie Krebsovho cyklu. Majte však na pamäti, že každá molekula glukózy dodáva dve molekuly acetyl CoA pre vstup do cyklu, takže celkový počet syntetizovaných týchto molekúl je 6 NADH, 2 FADH₂ a 2 ATP. Krebsov cyklus teda negeneruje veľa energie priamo - iba 2 ATP na molekulu glukózy dodávanej proti prúdu - a tiež nie je potrebný kyslík. Ale NADH a FADH₂ sú pre Oxidačná fosforylácia kroky v ďalšej sérii reakcií, súhrnne nazývaných reťazec transportu elektrónov.

Rôzne molekuly NADH a FADH₂ vytvorené v predchádzajúcich krokoch bunkového dýchania, sú pripravené na použitie v reťazci transportu elektrónov, ktorý sa vyskytuje v záhyboch vnútornej mitochondriálnej membrány zvanej cristae. Stručne povedané, vysokoenergetické elektróny pripojené k NAD⁺ a FAD²⁺ sa používajú na vytvorenie protónového gradientu cez membránu. To len znamená, že existuje vyššia koncentrácia protónov (H⁺ ióny) na jednej strane membrány ako na druhej strane, čo vytvára impulz pre tok týchto iónov z oblastí s vyššou koncentráciou protónov do oblastí s nižšou koncentráciou protónov. Týmto spôsobom sa protóny správajú trochu inak ako napríklad voda, ktorá sa „chce“ presunúť z oblasti vyššej nadmorskej výšky do oblasti nižšej koncentrácia - tu pod vplyvom gravitácie namiesto takzvaného chemiosmotického gradientu pozorovaného v transporte elektrónov reťaz.

Rovnako ako turbína vo vodnej elektrárni využívajúca energiu prúdiacej vody na prácu inde (v takom prípade na výrobu elektriny), časť energie vytvorenej protónom. gradient cez membránu je zachytený na pripojenie voľných fosfátových skupín (P) k molekulám ADP za vzniku ATP, procesu nazývaného fosforylácia (a v tomto prípade oxidačná fosforylácia). V skutočnosti sa to deje znova a znova v reťazci transportu elektrónov, až do všetkých NADH a FADH₂ z glykolýzy a Krebsovho cyklu - využíva sa asi 10 z nich a dva z nich. To má za následok vytvorenie asi 34 molekúl ATP na molekulu glukózy. Pretože každá glykolýza a Krebsov cyklus poskytujú 2 ATP na molekulu glukózy, celkové množstvo, ak sa uvoľní energia, je prinajmenšom za ideálnych podmienok 34 + 2 + 2 = 38 ATP.

V reťazci transportu elektrónov existujú tri rôzne body, v ktorých môžu protóny prechádzať cez vnútornú mitochondriálnu membránu a vstúpiť do priestoru medzi týmto neskôr a vonkajšia mitochondriálna membrána a štyri odlišné molekulárne komplexy (očíslované I, II, III a IV), ktoré tvoria fyzikálne kotviace body reťaz.

Reťazec transportu elektrónov vyžaduje kyslík, pretože O₂ slúži ako konečný akceptor elektrónových párov v reťazci. Ak nie je prítomný žiadny kyslík, reakcie v reťazci rýchlo ustanú, pretože sa zastaví „elektronický“ tok elektrónov; nemajú kam ísť. Medzi látkami, ktoré môžu paralyzovať reťazec transportu elektrónov, je kyanid (CN^-). Preto ste možno videli kyanid používaný ako smrtiaci jed v predstaveniach vrážd alebo v špionážnych filmoch; keď sa podáva v dostatočných dávkach, zastaví sa aeróbne dýchanie u príjemcu a s ním aj samotný život.

Často sa predpokladá, že rastliny podstupujú fotosyntézu, aby vytvorili kyslík z oxidu uhličitého, zatiaľ čo zvieratá to používajú dýchanie na generovanie oxidu uhličitého z kyslíka, a tým pomáha zachovávať čistý doplnkový ekosystém v celom ekosystéme rovnováha. Aj keď to na povrchu platí, je to zavádzajúce, pretože rastliny využívajú fotosyntézu aj aeróbne dýchanie.

Pretože rastliny nemôžu jesť, musia si jedlo skôr prijímať ako prijímať. Na to slúži fotosyntéza, séria reakcií, ktoré prebiehajú na organelách, ktorým zvieratá chýbajú, a ktoré sa nazývajú chloroplasty. Napájané slnečným žiarením, CO₂ vo vnútri rastlinnej bunky sa zhromažďuje na glukózu vo vnútri chloroplastov v sérii krokov, ktoré pripomínajú reťazec transportu elektrónov v mitochondriách. Potom sa glukóza uvoľní z chloroplastu; väčšinou, ak sa stane štrukturálnou časťou rastliny, ale niektoré podstúpia glykolýzu a potom pokračujú vo zvyšku aeróbneho dýchania po vstupe do mitochondrií rastlinných buniek.