Celično dihanje: opredelitev, enačba in koraki

Filozof Bertrand Russell je dejal: "Vsa živa bitja so nekakšna imperialistična prizadevanja za čim večjo preobrazbo svojega okolja vase. "Metafore ob strani je celično dihanje formalni način, kako živa bit na koncu počne to. Celično dihanje jemlje snovi, zajete iz zunanjega okolja (viri zraka in ogljika) in pretvori jih v energijo za izgradnjo več celic in tkiv ter za vzdrževanje življenja dejavnosti. Prav tako ustvarja odpadne snovi in ​​vodo. Tega ne gre zamenjevati z "dihanjem" v vsakdanjem pomenu, ki običajno pomeni isto kot "dihanje". Dihanje je kako organizmi pridobijo kisik, vendar to ni isto kot predelava kisika in dihanje ne more zagotoviti ogljika, potrebnega tudi za to dihanje; za to poskrbi prehrana, vsaj pri živalih.

Celično dihanje se pojavlja tako pri rastlinah kot pri živalih, ne pa tudi pri prokariontih (npr. Pri bakterijah), ki jim primanjkuje mitohondrije in druge organele in tako ne morejo uporabljati kisika, kar jih omejuje na glikolizo kot energijo vir. Rastline so morda pogosteje povezane s fotosintezo kot z dihanjem, toda fotosinteza je to vir kisika za dihanje rastlinskih celic in vir kisika, ki izstopi iz rastline, ki ga lahko uporablja živali. Končni stranski produkt v obeh primerih je ATP ali adenozin trifosfat, primarni kemični nosilec energije v živih bitjih.

Celično dihanje, pogosto imenovano aerobno dihanje, je popolna razgradnja molekule glukoze v prisotnosti kisika, da dobimo ogljikov dioksid in vodo:

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

Ta enačba ima oksidacijsko komponento (C₆H₁₂O₆ -> 6CO₂), v bistvu odstranitev elektronov v obliki vodikovih atomov. Ima tudi komponento redukcije, 6O₂ -> 6H₂O, ki je dodatek elektronov v obliki vodika.

Enačba kot celota pomeni, da je energija, ki jo zadržujejo kemične vezi reaktantov uporablja se za povezavo adenozin difosfata (ADP) s prostimi fosforjevimi atomi (P) za tvorbo adenozin trifosfata (ATP).

Proces kot celota vključuje več korakov: glikoliza poteka v citoplazmi, sledi ji Krebs cikla in verige prenosa elektronov v matriki mitohondrijev in na mitohondrijski membrani oz.

Prvi korak pri razgradnji glukoze pri rastlinah in živalih je serija 10 reakcij, znanih kot glikoliza. Glukoza vstopi v živalske celice od zunaj, preko živil, ki se razgradijo v molekule glukoze ki krožijo v krvi in ​​jih prevzamejo tkiva, kjer je energija najbolj potrebna (vključno z možgani). Rastline v nasprotju s tem sintetizirajo glukozo tako, da od zunaj prevzamejo ogljikov dioksid in s pomočjo fotosinteze pretvorijo CO₂ na glukozo. Na tej točki je vsaka molekula glukoze zavezana isti usodi.

Na začetku glikolize se molekula glukoze s šestimi ogljiki fosforilira, da jo ujame v celico; fosfati so negativno nabiti in zato ne morejo plavati skozi celično membrano, kot včasih lahko nepolarne, nenapolnjene molekule. Doda se druga molekula fosfata, zaradi česar je molekula nestabilna in se kmalu razcepi v dve neidentični spojini s tremi ogljiki. Ti kmalu prevzamejo kemično obliko in se preuredijo v vrsti korakov, da na koncu dobijo dve molekuli piruvat. Med potjo se zaužijeta dve molekuli ATP (zgodaj dovajata dva fosfata, dodana glukozi) in nastanejo štirje, po dva s postopkom treh ogljikov, da dobimo mrežo dveh molekul ATP na molekulo glukoza.

Pri bakterijah že sama glikoliza zadostuje za energijske potrebe celice - in s tem celotnega organizma. Toda pri rastlinah in živalih temu ni tako in s piruvatom se je končna usoda glukoze komaj začela. Treba je opozoriti, da sama glikoliza ne zahteva kisika, vendar je kisik običajno vključen v razprave o aerobnem dihanju in s tem celičnem dihanju, ker ga je treba sintetizirati piruvat.

Pogosta napačna predstava med ljubitelji biologije je, da kloroplasti v rastlinah opravljajo enako funkcijo kot mitohondriji pri živalih in da ima vsaka vrsta organizma samo eno ali drugo. To ni res. Rastline imajo tako kloroplaste kot mitohondrije, medtem ko imajo živali le mitohondrije. Rastline uporabljajo kloroplaste kot generatorje - uporabljajo majhen vir ogljika (CO₂) za izgradnjo večje (glukoze). Živalske celice glukozo dobijo z razgradnjo makromolekul, kot so ogljikovi hidrati, beljakovine in maščobe, zato jim ni treba ustvarjati glukoze od znotraj. V primeru rastlin se to morda zdi čudno in neučinkovito, toda rastline so razvile eno lastnost, ki je živali nimajo: sposobnost izkoriščanja sončne svetlobe za neposredno uporabo pri presnovnih funkcijah. To omogoča rastlinam, da si dobesedno sami pripravijo hrano.

Verjamejo, da so bili mitohondriji neke vrste samostojne bakterije pred več sto milijoni let, teorija, ki jo podpirajo njihovi izjemna strukturna podobnost z bakterijami in njihovimi presnovnimi mehanizmi ter prisotnost lastne DNA in organelov, imenovanih ribosomi. Evkarioti so prvič nastali pred več kot milijardo let, ko je eni celici uspelo zajeti drugo (hipoteza o endosimbiontu), kar je privedlo do dogovora, ki je zelo koristil prebivalcu te ureditve zaradi razširjene proizvodnje energije zmogljivosti. Mitohondriji so sestavljeni iz dvojne plazemske membrane, kot celice same; notranja membrana vključuje gube, imenovane krista. Notranji del mitohondrijev je znan kot matrika in je analogen citoplazmi celih celic.

Kloroplasti imajo tako kot mitohondriji zunanjo in notranjo membrano ter lastno DNK. Znotraj prostora, zaprtega z notranjo membrano, leži izbor med seboj povezanih, večplastnih in s tekočino napolnjenih membranskih vrečk, imenovanih tilakoidi. Vsak "kup" tilakoidov tvori granulat (množina: grana). Tekočina znotraj notranje membrane, ki obdaja grano, se imenuje stroma.

Kloroplasti vsebujejo pigment, imenovan klorofil, ki daje rastlinam zeleno obarvanost in služi kot zbiralec sončne svetlobe za fotosintezo. Enačba za fotosintezo je ravno obratna kot pri celičnem dihanju, toda posamezni koraki so potrebni ogljikov dioksid v glukozo nikakor ne spominja na obratne reakcije verige prenosa elektronov, Krebsov cikel in glikoliza.

V tem postopku, imenovanem tudi cikel trikarboksilne kisline (TCA) ali cikel citronske kisline, se molekule piruvata najprej pretvorijo v dvoogljične molekule, imenovane acetil koencim A (acetil CoA). S tem se sprosti molekula CO₂. Nato molekule acetil CoA vstopijo v mitohondrijski matriks, kjer se vsaka od njih kombinira s štirimi ogljikovimi molekulami oksaloacetata in tvori citronsko kislino. Če torej natančno računovodite, na začetku Krebsovega cikla ena molekula glukoze povzroči dve molekuli citronske kisline.

Citronska kislina, molekula s šestimi ogljiki, se preuredi v izocitrat, nato pa se ogljikov atom odstrani in tvori ketoglutarat s CO₂ izhod iz cikla. Ketoglutaratu se nato odvzame drug atom ogljika, ki tvori nov CO₂ in sukcinat in tvorijo tudi molekulo ATP. Od tam se molekula štirih ogljikovih sukcinatov zaporedno pretvori v fumarat, malat in oksaloacetat. Te reakcije vidijo vodikove ione, odstranjene iz teh molekul in pritrjene na visokoenergijske elektronske nosilce NAD + in FAD +, da tvorijo NADH in FADH₂ kar je v bistvu prikrita energetska "kreacija", kot boste kmalu videli. Na koncu Krebsovega cikla je prvotna molekula glukoze povzročila 10 NADH in dva FADH₂ molekul.

Reakcije Krebsovega cikla proizvedejo le dve molekuli ATP na originalno molekulo glukoze, po eno za vsak "obrat" cikla. To pomeni, da poleg dveh ATP, ki nastaneta v glikolizi, po Krebsovem ciklusu dobimo skupaj še štiri ATP. Toda resnični rezultati aerobnega dihanja se v tej fazi še niso razkrili.

Veriga prenosa elektronov, ki se pojavi na kristah notranje mitohondrijske membrane, je prvi korak v celičnem dihanju, ki je izrecno odvisen od kisika. NADH in FADH₂ proizvedeni v Krebsovem ciklu, bodo zdaj v veliki meri prispevali k sproščanju energije.

To se zgodi tako, da vodikovi ioni, shranjeni na teh molekulah elektronov (vodikov ion lahko, npr sedanjih namenov, se štejejo za elektronski par glede na njegov prispevek k temu delu dihanja) ustvariti kemiosmotski gradient. Morda ste že slišali za gradient koncentracije, pri katerem molekule tečejo iz regij z višjo koncentracijo v območja z nižjo koncentracijo, kot je kocka sladkorja, ki se raztopi v vodi in se sladkorni delci razpršijo skozi. V kemiosmotičnem gradientu pa elektroni iz NADH in FADH₂ ki se prenašajo skozi beljakovine, vdelane v membrano, in služijo kot sistemi za prenos elektronov. Energija, ki se sprosti v tem procesu, se uporablja za črpanje vodikovih ionov čez membrano in ustvarjanje koncentracijskega gradienta preko nje. To vodi do neto pretoka atomov vodika v eno smer in ta pretok se uporablja za pogon encima, imenovanega ATP sintaza, ki tvori ATP iz ADP in P. Zamislite si verigo prenosa elektronov kot nekaj, kar postavlja veliko težo vode za vodno kolo, katerega naknadno vrtenje se uporablja za gradnjo stvari.

To je nenamerno isti postopek, ki se uporablja v kloroplastih za pogon sinteze glukoze. Vir energije za ustvarjanje gradienta skozi kloroplastno membrano v tem primeru ni NADH in FADH₂, ampak sončna svetloba. Nadaljnji pretok vodikovih ionov v smeri nižje koncentracije H + ionov se uporablja za pogon sinteze večjih molekul ogljika iz manjših, začenši s CO₂ in se konča s C₆H₁₂O₆.

Energija, ki teče iz kemiosmotskega gradienta, se uporablja ne le za proizvodnjo ATP, temveč tudi za druge vitalne celične procese, kot je sinteza beljakovin. Če se veriga prenosa elektronov prekine (kot pri daljši pomanjkljivosti kisika), tega protonskega gradienta ni mogoče vzdrževati in proizvodnja celične energije se ustavi, tako kot vodno kolo neha več teči, ko voda okoli njega nima več tlaka gradient.

Ker je bilo dokazano, da vsaka molekula NADH tvori približno tri molekule ATP in vsako FADH₂ proizvede dve molekuli ATP, skupna energija, sproščena z verižno reakcijo prenosa elektronov, je (sklicujoč se na prejšnji odsek) 10-krat 3 (za NADH) plus 2-krat 2 (za FADH₂) za skupno 34 ATP. To dodajte 2 ATP iz glikolize in 2 iz Krebsovega cikla, od tu pa izhaja številka 38 ATP v enačbi za aerobno dihanje.