Ћелијско дисање: дефиниција, једначина и кораци

Филозоф Бертранд Русселл рекао је, „Сва жива бића су нека врста империјалиста, који настоје да се трансформишу што је више могуће свог окружења у себе. "Метафоре на страну, ћелијско дисање је формални начин на који жива бића на крају чине ово. Ћелијско дисање узима супстанце заробљене из спољне околине (извори ваздуха и угљеника) и претвара их у енергију за изградњу више ћелија и ткива и за одржавање живота активности. Такође генерише отпадне производе и воду. То се не сме мешати са „дисањем“ у свакодневном смислу, што обично значи исто што и „дисање“. Дисање је како организми добијају кисеоник, али то није исто што и обрада кисеоника, а дисање не може да обезбеди угљеник такође потребан дисање; о томе се брине дијета, барем код животиња.

Ћелијско дисање се јавља и код биљака и код животиња, али не и код прокариота (нпр. Код бактерија), којима недостаје митохондрије и друге органеле и због тога не могу да користе кисеоник, ограничавајући их на гликолизу као енергију извор. Биљке су можда чешће повезане са фотосинтезом него са дисањем, али фотосинтеза је то извор кисеоника за дисање биљних ћелија као и извор кисеоника који излази из биљке и који може да користи Животиње. Крајњи нуспроизвод у оба случаја је АТП, или аденозин трифосфат, примарни хемијски носач енергије у живим бићима.

Ћелијско дисање, често звано аеробно дисање, је потпуни разградњи молекула глукозе у присуству кисеоника да би се добио угљен-диоксид и вода:

Ц.₆Х.₁₂О.₆ + 6О₂ + 38 АДП +38 П -> 6ЦО₂ + 6Х₂О + 38 АТП + 420 Кцал

Ова једначина има компоненту оксидације (Ц₆Х.₁₂О.₆ -> 6ЦО₂), у основи уклањање електрона у облику атома водоника. Такође има редукциону компоненту, 6О₂ -> 6Х₂О, што је додавање електрона у облику водоника.

Једначина у целини преводи оно што је енергија задржана у хемијским везама реактаната користи се за повезивање аденозин дифосфата (АДП) са слободним атомима фосфора (П) за стварање аденозин трифосфата (АТП).

Процес у целини укључује више корака: Гликолиза се одвија у цитоплазми, а затим Кребс циклус и ланац транспорта електрона у матрици митохондрија и на мембрани митохондрија редом.

Први корак у разградњи глукозе и код биљака и код животиња је серија од 10 реакција познатих као гликолиза. Глукоза улази извана у животињске ћелије, преко хране која се разграђује на молекуле глукозе који циркулишу у крви и заузимају их ткива тамо где је енергија најпотребнија (укључујући и мозак). Биљке, насупрот томе, синтетишу глукозу из уноса угљен-диоксида споља и помоћу фотосинтезе за претварање ЦО₂ до глукозе. У овом тренутку, без обзира на то како је тамо стигао, сваки молекул глукозе посвећен је истој судбини.

Почетком гликолизе, молекул глукозе са шест угљеника је фосфорилисан да би га заробио у ћелију; фосфати су негативно наелектрисани и зато не могу да се провлаче кроз ћелијску мембрану попут неполарних, ненаелектрисаних молекула. Додаје се други молекул фосфата, што молекул чини нестабилним, и убрзо се цепа на два неидентична једињења са три угљеника. Они убрзо преузимају хемијски облик и преуређују се у низ корака да би на крају дали два молекула пируват. Успут се троше два молекула АТП (они рано достављају два фосфата додана глукози) а производе се четири, по две сваки процес са три угљеника, дајући мрежу од два АТП молекула по молекулу глукоза.

У бактеријама је само гликолиза довољна за енергетске потребе ћелије - а самим тим и целог организма. Али код биљака и животиња то није случај, а са пируватом је коначна судбина глукозе једва започела. Треба напоменути да сама гликолиза не захтева кисеоник, али је кисеоник углавном укључен расправе о аеробном дисању, а тиме и ћелијском дисању, јер је потребно за синтезу пируват.

Уобичајена заблуда међу љубитељима биологије је да хлоропласти имају исту функцију у биљкама које митохондрији раде код животиња и да свака врста организма има само једно или друго. То није тако. Биљке имају и хлоропласте и митохондрије, док животиње имају само митохондрије. Биљке користе хлоропласте као генераторе - користе мали извор угљеника (ЦО₂) за изградњу веће (глукоза). Животињске ћелије добијају глукозу разбијањем макромолекула као што су угљени хидрати, протеини и масти, па стога не треба да стварају глукозу изнутра. Ово се може чинити чудним и неефикасним у случају биљака, али биљке су развиле једну особину коју животиње немају: способност да искористе сунчеву светлост за директну употребу у метаболичким функцијама. То омогућава биљкама да буквално сами праве храну.

Верује се да су митохондрије биле врста самостојећих бактерија пре много стотина милиона година, теорија коју подржавају њихови изузетна структурна сличност са бактеријама као и њиховим метаболичким машинама и присуство сопствене ДНК и органела тзв. рибозоми. Еукариоти су први пут настали пре више од милијарду година када је једна ћелија успела да прогута другу (хипотеза о ендосимбионту), што је довело до аранжмана који је био веома користан за инжењера у овом аранжману због проширене производње енергије могућности. Митохондрији се састоје од двоструке плазма мембране, попут самих ћелија; унутрашња мембрана укључује наборе зване криста. Унутрашњи део митохондрија познат је као матрица и аналоган је цитоплазми целих ћелија.

Хлоропласти, попут митохондрија, имају спољну и унутрашњу мембрану и своју ДНК. Унутар простора затвореног унутрашњом мембраном налази се низ међусобно повезаних, слојевитих и течно напуњених опнастих врећица званих тилакоиди. Свака „гомила“ тилакоида формира гранум (множина: грана). Течност унутар унутрашње мембране која окружује грану назива се стромом.

Хлоропласти садрже пигмент зван хлорофил, који биљкама даје зелену обојеност и служи као сакупљач сунчеве светлости за фотосинтезу. Једначина за фотосинтезу је потпуно обрнута од оне код ћелијског дисања, али из тога треба кренути појединачно угљен-диоксид на глукозу ни на који начин не подсећа на обрнуте реакције ланца транспорта електрона, Кребсов циклус и гликолиза.

У овом процесу, који се назива и циклус трикарбоксилне киселине (ТЦА) или циклус лимунске киселине, молекули пирувата се прво претварају у молекуле са два угљеника који се називају ацетил коензим А (ацетил ЦоА). Ово ослобађа молекул ЦО₂. Затим молекули ацетил ЦоА улазе у митохондријски матрикс, где се сваки од њих комбинује са молекулом оксалоацетата са четири угљеника дајући лимунску киселину. Дакле, ако пажљиво водите рачуна, један молекул глукозе резултира два молекула лимунске киселине на почетку Кребсовог циклуса.

Лимунска киселина, молекул са шест угљеника, преуређује се у изоцитрат, а затим се атом угљеника одваја да би се формирао кетоглутарат, са ЦО₂ излазак из циклуса. Кетоглутарату се заузврат одузима још један атом угљеника, стварајући још један ЦО₂ и сукцинат и такође формира молекул АТП. Одатле се молекул сукцината са четири угљеника претвара у секвенцу у фумарат, малат и оксалоацетат. Ове реакције виде водоничне јоне уклоњене из ових молекула и налепљене на високоенергијске електронске носаче НАД + и ФАД + да би се створили НАДХ и ФАДХ₂ односно, што је у основи маскирано енергетско „стварање“, као што ћете ускоро видети. На крају Кребсовог циклуса, оригинални молекул глукозе је дао 10 НАДХ и два ФАДХ₂ молекула.

Реакције Кребсовог циклуса производе само два молекула АТП по оригиналном молекулу глукозе, по један за сваки "заокрет" циклуса. То значи да су поред два АТП произведена у гликолизи, после Кребсовог циклуса, резултат укупно четири АТП. Али стварни резултати аеробног дисања тек треба да се открију у овој фази.

Ланац преноса електрона, који се јавља на кристама унутрашње митохондријске мембране, први је корак у ћелијском дисању који се изричито ослања на кисеоник. НАДХ и ФАДХ₂ произведени у Кребсовом циклусу сада су спремни да на главни начин допринесу ослобађању енергије.

Начин на који се то дешава је да јони водоника ускладиштени на овим молекулима носача електрона (јон водоника могу, нпр садашње сврхе, сматрају се електронским паром у смислу свог доприноса овом делу дисања) навикли су створити хемиосмотски градијент. Можда сте чули за градијент концентрације, у коме молекули теку из подручја веће концентрације у подручја ниже концентрације, попут коцке шећера која се раствара у води и честице шећера се распршују током. У хемиосмотичком градијенту, међутим, електрони из НАДХ и ФАДХ₂ намотавају се протеини уграђени у мембрану и служећи као системи за пренос електрона. Ослобођена енергија у овом процесу користи се за пумпање јона водоника кроз мембрану и стварање концентрационог градијента преко ње. То доводи до нето протока атома водоника у једном правцу и тај проток се користи за покретање ензима који се назива АТП синтаза, што чини АТП од АДП и П. Замислите ланац транспорта електрона као нешто што ставља велику тежину воде иза воденог точка, чија се накнадна ротација користи за изградњу ствари.

Ово је случајно исти поступак који се користи у хлоропластима за покретање синтезе глукозе. Извор енергије за стварање градијента преко хлоропластне мембране у овом случају није НАДХ и ФАДХ₂, али сунчева светлост. Накнадни проток јона водоника у правцу ниже концентрације Х + јона користи се за покретање синтезе већих молекула угљеника из мањих, почев од ЦО₂ а завршава се с Ц.₆Х.₁₂О.₆.

Енергија која тече из хемиосмотског градијента користи се не само за производњу АТП, већ и за друге виталне ћелијске процесе, попут синтезе протеина. Ако се прекине ланац преноса електрона (као код продуженог недостатка кисеоника), овај протонски градијент не може се одржати и производња ћелијске енергије престаје, баш као што водени точак престаје да тече када вода око њега више нема проток притиска градијент.

Зато што је експериментално показано да сваки молекул НАДХ производи око три молекула АТП и сваки ФАДХ₂ производи два молекула АТП, укупна енергија ослобођена ланчаном реакцијом транспорта електрона је (позивајући се на претходни одељак) 10 пута 3 (за НАДХ) плус 2 пута 2 (за ФАДХ₂) за укупно 34 АТП. Додајте ово 2 АТП из гликолизе и 2 из Кребсовог циклуса, и одатле потиче број 38 АТП у једначини за аеробно дисање.