Kako celice zajemajo energijo, ki jo sprošča celično dihanje?

Živi organizmi tvorijo energijsko verigo, v kateri rastline proizvajajo hrano, ki jo živali in drugi organizmi porabijo za energijo. Glavni postopek, ki proizvaja hrano, je fotosinteza pri rastlinah in glavni način pretvorbe hrane v energijo je celično dihanje.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Molekula, ki prenaša energijo, ki jo uporabljajo celice, je ATP. Proces celičnega dihanja pretvori molekulo ADP v ATP, kjer je energija shranjena. To poteka s tristopenjskim postopkom glikolize, ciklusom citronske kisline in verigo prenosa elektronov. Celično dihanje se razcepi in oksidira glukozo in tvori molekule ATP.

Med fotosintezo rastline zajemajo svetlobno energijo in jo uporabljajo za poganjanje kemičnih reakcij v rastlinskih celicah. Svetlobna energija omogoča rastlinam, da v zraku kombinirajo ogljik iz ogljikovega dioksida z vodikom in kisik iz vode glukoza.

V celično dihanje, organizmi, kot so živali, jedo hrano, ki vsebuje glukozo, in razgradijo glukozo na energijo, ogljikov dioksid in vodo. Ogljikov dioksid in voda se izženeta iz organizma, energija pa se shrani v molekuli, imenovani

Živi organizmi so bodisi enocelični prokarionti ali evkarionti, ki je lahko enocelična ali večcelična. Glavna razlika med obema je v tem, da imajo prokarionti preprosto celično strukturo brez jedra ali celičnih organelov. Evkarioti vedno imajo a jedro in bolj zapleteni procesi celic.

Enocelični organizmi obeh vrst lahko uporabljajo več metod za proizvodnjo energije, mnogi pa tudi celično dihanje. Napredne rastline in živali so vsi evkarionti in skoraj izključno uporabljajo celično dihanje. Rastline uporabljajo fotosintezo za zajemanje sončne energije, nato pa večino te energije shranijo v obliki glukoze.

Tako rastline kot živali uporabljajo glukozo, proizvedeno iz fotosinteze, kot vir energije.

Fotosinteza proizvaja glukozo, vendar je glukoza le način shranjevanja kemične energije in je celice ne morejo uporabljati neposredno. Celoten postopek fotosinteze lahko povzamemo v naslednji formuli:

6CO₂ + 12H₂O + svetlobna energija → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Rastline za pretvorbo uporabljajo fotosintezo svetlobna energija v kemično energijo in jo shranijo v glukozi. Za izrabo shranjene energije je potreben drugi postopek.

Celično dihanje pretvarja kemično energijo, shranjeno v glukozi, v kemično energijo, shranjeno v molekuli ATP. ATP uporabljajo vse celice za pogon presnove in dejavnosti. Mišične celice spadajo med vrste celic, ki glukozo porabijo za energijo, vendar jo najprej pretvorijo v ATP.

Celotna kemijska reakcija celičnega dihanja je naslednja:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂Molekule O + ATP

Celice razgradijo glukozo na ogljikov dioksid in vodo, medtem ko proizvajajo energijo, ki jo shranjujejo v molekulah ATP. Nato energijo ATP uporabljajo za dejavnosti, kot je krčenje mišic. Celoten proces celičnega dihanja ima tri faze.

Glukoza je ogljikov hidrat s šestimi atomi ogljika. V prvi fazi procesa celičnega dihanja se imenuje glikoliza, celica razbije molekule glukoze na dve molekuli piruvata ali molekuli treh ogljikov. Za začetek postopka je potrebna energija, zato se uporabita dve molekuli ATP iz rezerv celice.

Na koncu procesa, ko nastaneta dve molekuli piruvata, se energija sprosti in shrani v štirih molekulah ATP. Glikoliza uporablja dve molekuli ATP in proizvede štiri za vsako predelano molekulo glukoze. Neto dobiček sta dve molekuli ATP.

Glikoliza se začne v celični plazmi celice, vendar proces celičnega dihanja večinoma poteka v mitohondrije. Vrste celic, ki glukozo uporabljajo za energijo, vključujejo skoraj vse celice v človeškem telesu, razen visoko specializiranih celic, kot so krvne celice.

Mitohondriji so majhne z membrano vezane organele in so tovarne celic, ki proizvajajo ATP. Imajo gladko zunanjo membrano in zelo zložene notranja membrana kjer potekajo reakcije celičnega dihanja.

Reakcije najprej potekajo v mitohondrijih, da ustvarijo gradient energije skozi notranjo membrano. Kasnejše reakcije, ki vključujejo membrano, proizvajajo energijo, uporabljeno za ustvarjanje molekul ATP.

Piruvat, proizveden z glikolizo, ni končni produkt celičnega dihanja. Druga stopnja predela molekuli piruvata v drugo vmesno snov, imenovano acetil CoA. Acetil CoA vstopi v cikel citronske kisline in ogljikovi atomi iz prvotne molekule glukoze se popolnoma pretvorijo v CO₂. The citronska kislina koren se reciklira in poveže z novo molekulo acetil CoA za ponovitev postopka.

Oksidacija ogljikovih atomov proizvede še dve molekuli ATP in pretvori encime NAD⁺ in FAD do NADH in FADH₂. Pretvorjeni encimi se uporabljajo v tretji in zadnji fazi celičnega dihanja, kjer delujejo kot darovalci elektronov v verigi prenosa elektronov.

Molekule ATP zajemajo del proizvedene energije, vendar večina kemijske energije ostane v molekulah NADH. Reakcije citronske kisline potekajo v mitohondrijih.

The elektronska transportna veriga (Itd) je sestavljen iz vrste spojin, ki se nahajajo na notranji membrani mitohondrijev. Uporablja elektrone iz NADH in FADH₂ encimi, ki jih proizvaja cikel citronske kisline za črpanje protonov čez membrano.

V verigi reakcij so visokoenergijski elektroni iz NADH in FADH₂ se prenašajo po vrsti ETC spojin z vsakim korakom, ki vodi do nižjega stanja elektronov in protoni se črpajo čez membrano.

Na koncu reakcij ETC molekule kisika sprejmejo elektrone in tvorijo molekule vode. Elektronska energija, ki je prvotno izhajala iz cepitve in oksidacije molekule glukoze, se je pretvorila v a protonski energijski gradient čez notranjo membrano mitohondrijev.

Ker v notranji membrani obstaja neravnovesje protonov, protoni občutijo silo, da se razpršijo nazaj v notranjost mitohondrijev. Encim imenovan ATP sintaza je vdelan v membrano in ustvarja odprtino, ki omogoča protonom, da se premikajo nazaj čez membrano.

Ko protoni preidejo skozi odprtino ATP sintaze, encim porabi energijo iz protonov za ustvarjanje molekul ATP. Na tej stopnji se zajame večina energije iz celičnega dihanja in se shrani v 32 molekul ATP.

ATP je kompleksna organska kemikalija z adeninsko bazo in tremi fosfatnimi skupinami. Energija je shranjena v vezah, ki vsebujejo fosfatne skupine. Ko celica potrebuje energijo, pretrga eno od vezi fosfatnih skupin in s kemično energijo ustvari nove vezi v drugih celičnih snoveh. Molekula ATP postane adenozin difosfat oz ADP.

Pri celičnem dihanju se sproščena energija uporablja za dodajanje fosfatne skupine v ADP. Dodatek fosfatne skupine zajame energijo iz glikolize, cikla citronske kisline in velike količine energije iz ETC. Nastale molekule ATP lahko organizem uporablja za dejavnosti, kot so gibanje, iskanje hrane in razmnoževanje.