Kakšna je funkcija aerobnega dihanja?

Aerobno dihanje, izraz, ki ga pogosto uporabljamo zamenljivo s "celičnim dihanjem", je čudovit način donosa živih bitij v prisotnosti kisika izvleči energijo, shranjeno v kemičnih vezah ogljikovih spojin, in jo izkoristi za presnovo procesov. Vsi evkariontski organizmi (tj. Živali, rastline in glive) uporabljajo aerobno dihanje, predvsem zaradi prisotnosti celičnih organelov, imenovanih mitohondriji. Nekaj ​​prokariontskih organizmov (tj. Bakterij) uporablja bolj osnovne aerobne dihalne poti, toda na splošno, ko vidite "aerobno dihanje", morate pomisliti na "večcelični evkariont organizem. "

Toda to še ni vse, kar bi vam moralo skočiti v misli. Kaj sledi, pove vse, kar morate vedeti o osnovnih kemijskih poteh aerobnega dihanja, zakaj je tako tako pomemben sklop reakcij in kako se je vse začelo tekom bioloških in geoloških zgodovino.

Vsa celična presnova hranil se začne z molekulami glukoze. Ta šestogljični sladkor lahko dobimo iz živil v vseh treh razredih makrohranil (ogljikovi hidrati, beljakovine in maščobe), čeprav je glukoza sama po sebi preprost ogljikov hidrat. V prisotnosti kisika se glukoza pretvori in razgradi v verigi približno 20 reakcij, da nastane ogljikov dioksid, voda, toplota, in 36 ali 38 molekul adenozin trifosfata (ATP), molekule, ki jo celice najpogosteje uporabljajo v vseh živih bitjih kot neposreden vir gorivo. Spremembe v količini ATP, proizvedenega z aerobnim dihanjem, odražajo dejstvo, da rastline celice včasih iz ene molekule glukoze iztisnejo 38 ATP, medtem ko živalske celice ustvarijo 36 ATP na glukozo molekula. Ta ATP izhaja iz kombiniranja molekul prostega fosfata (P) in adenozin difosfata (ADP) s skoraj vsemi to se zgodi v zadnjih fazah aerobnega dihanja v reakcijah prenosa elektronov veriga.

Celotna kemijska reakcija, ki opisuje aerobno dihanje, je:

C₆H₁₂O₆ + 36 (ali 38) ADP + 36 (ali 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 kcal + 36 (ali 38) ATP.

Čeprav se sama reakcija v tej obliki zdi dovolj enostavna, zanika množico korakov, ki jih mora izvesti leva stran enačbe (reaktanti) na desni strani (proizvodi, vključno s 420 kilokalorijami toplota). Po dogovoru je celotna zbirka reakcij razdeljena na tri dele glede na to, kje se vsak pojavi: glikoliza (citoplazma), Krebsov cikel (mitohondrijski matriks) in veriga prenosa elektronov (notranji mitohondrijski membrana). Pred podrobnim raziskovanjem teh procesov pa si oglejte, kako se je aerobno dihanje začelo na Zemlji.

Naloga aerobnega dihanja je oskrba z gorivom za popravilo, rast in vzdrževanje celic in tkiv. To je nekoliko formalen način, da opozorimo, da aerobno dihanje ohranja evkariontske organizme pri življenju. Brez hrane bi lahko preživeli veliko dni in v večini primerov vsaj nekaj brez vode, brez kisika pa le nekaj minut.

Kisik (O) najdemo v običajnem zraku v njegovi dvoatomski obliki, O₂. Ta element je bil v določenem smislu odkrit v 1600. letih, ko je znanstvenikom postalo jasno, da zrak vsebuje element življenjskega pomena za preživetje živali, ki bi jih v zaprtem okolju lahko osiromašil plamen ali dolgoročno dihanje.

Kisik predstavlja približno petino mešanice plinov, ki jih vdihavate. Toda v 4,5-milijard let trajajoči zgodovini planeta in sprememb v svetu ni bilo vedno tako Količina kisika v Zemljini atmosferi je imela sčasoma predvidljivo močan vpliv na biološko evolucija. V prvi polovici trenutne življenjske dobe planeta je bilo št kisik v zraku. Pred 1,7 milijardami let je bilo ozračje sestavljeno iz 4 odstotkov kisika in pojavili so se enocelični organizmi. Pred 0,7 milijardami let je O₂ predstavljajo med 10 in 20 odstotki zraka, pojavili pa so se večji, večcelični organizmi. Pred 300 milijoni let se je vsebnost kisika povečala na 35 odstotkov zraka, zato so bili dinozavri in druge zelo velike živali norma. Kasneje je delež zraka, ki ga je imel O₂ padla na 15 odstotkov, dokler se spet ni dvignila, kjer je danes.

Že samo s sledenjem temu vzorcu je jasno, da se zdi izjemno znanstveno verjetno, da je končna naloga kisika povečati rast živali.

Deset reakcij glikolize sami po sebi ne zahtevajo kisika in glikoliza se do neke mere pojavi pri vseh živih bitjih, tako prokariontskih kot evkariontskih. Toda glikoliza je nujna predhodnica za specifične aerobne reakcije celičnega dihanja in je običajno opisana skupaj z njimi.

Ko glukoza, molekula s šestimi ogljiki s heksagonalno obročno strukturo, vstopi v celično plazmo celice, se takoj fosforilira, kar pomeni, da ima fosfatno skupino, vezano na enega od ogljika. To učinkovito ujame molekulo glukoze znotraj celice, tako da ji da neto negativni naboj. Nato molekulo prerazporedimo v fosforilirano fruktozo, brez izgube ali pridobivanja atomov, preden molekuli dodamo še en fosfat. To destabilizira molekulo, ki se nato razdrobi v par tri-ogljikovih spojin, od katerih ima vsaka svoj pritrjen fosfat. Eden od teh se pretvori v drugega, nato pa molekuli treh ogljikov v vrsti korakov predata svoje fosfate molekulam ADP (adenozin difosfat), da dobita 2 ATP. Prvotna molekula glukoze s šestimi ogljiki se konča kot dve molekuli molekule s tremi ogljiki, imenovane piruvat, poleg tega pa nastaneta dve molekuli NADH (o katerih bomo podrobneje razpravljali kasneje).

Piruvat se v prisotnosti kisika premakne v matriks (mislim "sredino") celičnih organelov mitohondriji in se pretvori v dvoogljično spojino, imenovano acetil koencim A (acetil CoA). Pri tem nastane molekula ogljikovega dioksida (CO₂). V tem procesu molekula NAD⁺ (tako imenovani visokoenergijski elektronski nosilec) se pretvori v NADH.

Krebsov cikel, imenovan tudi cikel citronske kisline ali cikel trikarboksilne kisline, se imenuje cikel in ne reakcija ker eden izmed njegovih produktov, molekula s štirimi ogljiki, oksaloacetat, ponovno vstopi na začetek cikla, tako da se kombinira z molekulo acetil CoA. Rezultat tega je molekula s šestimi ogljiki, imenovana citrat. S to molekulo z vrsto encimov manipulirajo v petogljično spojino, imenovano alfa-ketoglutarat, ki nato izgubi še en ogljik, da dobi sukcinat. Vsakič, ko se ogljik izgubi, je v obliki CO₂in ker so te reakcije energetsko ugodne, vsako izgubo ogljikovega dioksida spremlja pretvorba drugega NAD⁺ do NAD. Tvorba sukcinata ustvarja tudi molekulo ATP.

Sukcinat se pretvori v fumarat, pri čemer nastane ena molekula FADH₂ od FAD²⁺ (elektronski nosilec, podoben NAD⁺ v funkciji). Ta se pretvori v malat, pri čemer nastane še en NADH, ki se nato pretvori v oksaloacetat.

Če beležite rezultat, lahko štejete 3 NADH, 1 FADH₂ in 1 ATP na obrat Krebsovega cikla. Vendar ne pozabite, da vsaka molekula glukoze dobavi dve molekuli acetil CoA za vstop v cikel, zato je skupno število sintetiziranih molekul 6 NADH, 2 FADH₂ in 2 ATP. Krebsov cikel torej ne ustvarja veliko energije neposredno - le 2 ATP na molekulo glukoze, dobavljene gorvodno - in tudi kisik ni potreben. Toda NADH in FADH₂ so ključnega pomena za oksidativna fosforilacija koraki v naslednji seriji reakcij, ki se skupaj imenujejo veriga prenosa elektronov.

Različne molekule NADH in FADH₂ nastali v prejšnjih korakih celičnega dihanja, so pripravljeni za uporabo v verigi prenosa elektronov, ki se pojavlja v gubah notranje mitohondrijske membrane, imenovane krista. Na kratko, visokoenergijski elektroni so pritrjeni na NAD⁺ in FAD²⁺ se uporabljajo za ustvarjanje protonskega gradienta čez membrano. To samo pomeni, da obstaja večja koncentracija protonov (H⁺ ioni) na eni strani membrane kot na drugi strani, kar ustvarja spodbudo za pretok teh ionov iz območij z višjo koncentracijo protonov v območja z nižjo koncentracijo protonov. Na ta način se protoni obnašajo malo drugače kot recimo voda, ki se "želi" premakniti iz območja višje nadmorske višine v območje nižje koncentracija - tukaj pod vplivom gravitacije namesto tako imenovanega kemiosmotskega gradienta, opaženega pri prenosu elektronov veriga.

Tako kot turbina v hidroelektrarni, ki izkorišča energijo tekoče vode za delo drugje (v tem primeru ustvarja elektriko), tudi nekaj energije, ki jo vzpostavi proton gradient preko membrane je zajet, da na molekule ADP pritrdi proste fosfatne skupine (P), da tvori ATP, postopek, imenovan fosforilacija (in v tem primeru oksidativni fosforilacija). Pravzaprav se to vedno znova dogaja v verigi prenosa elektronov, dokler ne pride do vseh NADH in FADH₂ iz glikolize in se uporabi Krebsov cikel - približno 10 prvih in dva od slednjih. Rezultat tega je približno 34 molekul ATP na molekulo glukoze. Ker vsaka glikoliza in Krebsov cikel data po 2 ATP na molekulo glukoze, je skupna količina, če se sprosti energija, vsaj v idealnih pogojih, 34 + 2 + 2 = 38 ATP.

V verigi prenosa elektronov obstajajo tri različne točke, na katerih lahko protoni prečkajo notranjo mitohondrijsko membrano in vstopijo v prostor med to kasneje in zunanja mitohondrijska membrana ter štirje različni molekularni kompleksi (oštevilčeni I, II, III in IV), ki tvorijo fizična sidrišča veriga.

Elektronska transportna veriga potrebuje kisik, ker O₂ služi kot zadnji akceptor elektronskih parov v verigi. Če kisika ni, reakcije v verigi hitro prenehajo, ker preneha "spodnji" tok elektronov; nimajo kam iti. Med snovmi, ki lahko ohromijo elektronsko transportno verigo, je cianid (CN^-). Prav zaradi tega ste v oddajah o umorih ali vohunskih filmih videli cianid, ki se uporablja kot smrtonosni strup; kadar se daje v zadostnih odmerkih, se aerobno dihanje v prejemniku ustavi in ​​s tem tudi življenje samo.

Pogosto se domneva, da rastline podvržejo fotosintezi, da ustvarijo kisik iz ogljikovega dioksida, medtem ko živali uporabljajo dihanje za ustvarjanje ogljikovega dioksida iz kisika in s tem pomaga ohranjati čeden, komplementaren ekosistem ravnovesje. Čeprav to na površju drži, je zavajajoče, saj rastline uporabljajo tako fotosintezo kot aerobno dihanje.

Ker rastline ne morejo jesti, si morajo namesto zaužiti hrano. Temu je namenjena fotosinteza, niz reakcij, ki potekajo pri organelah pri živalih, imenovanih kloroplasti. Poganja sončna svetloba, CO₂ znotraj rastlinske celice je sestavljen v glukozo znotraj kloroplastov v vrsti korakov, ki spominjajo na verigo prenosa elektronov v mitohondrijih. Nato se glukoza sprosti iz kloroplasta; večina, če postane strukturni del rastline, nekateri pa se podvržejo glikolizi in nato nadaljujejo s preostalim aerobnim dihanjem po vstopu v mitohondrije rastlinskih celic.