Cellular Respiration: Definition, ekvation och steg

Filosofen Bertrand Russell sa, "Varje levande varelse är en sorts imperialist som försöker förändra sig så mycket som möjligt av sin omgivning i sig själv. ”Bortsett från metaforer är cellulär andning det formella sätt på vilket levande saker i slutändan gör detta. Cellandning tar ämnen som fångats upp från den yttre miljön (luft- och kolkällor) och omvandlar dem till energi för att bygga fler celler och vävnader och för att utföra livsuppehållande aktiviteter. Det genererar också avfallsprodukter och vatten. Detta ska inte förväxlas med "andning" i vardaglig mening, vilket vanligtvis betyder samma sak som "andas". Andning är hur organismer förvärvar syre, men detta är inte detsamma som att behandla syre, och andning kan inte ge det kol som också behövs för andning; diet tar hand om detta, åtminstone hos djur.

Cellandning sker i både växter och djur, men inte i prokaryoter (t.ex. bakterier) som saknas mitokondrier och andra organeller och kan således inte använda syre, vilket begränsar dem till glykolys som energi källa. Växter är kanske oftare förknippade med fotosyntes än med andning, men fotosyntes är det syrekälla för växtcellsandning samt en syrekälla som går ut från växten som kan användas av djur. Den ultimata biprodukten är i båda fallen ATP, eller adenosintrifosfat, den primära kemiska energibäraren i levande saker.

Cellandning, ofta kallad aerob andning, är den fullständiga nedbrytningen av glukosmolekylen i närvaro av syre för att ge koldioxid och vatten:

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

Denna ekvation har en oxidationskomponent (C₆H₁₂O₆ -> 6CO₂väsentligen ett avlägsnande av elektroner i form av väteatomer. Den har också en reduktionskomponent, 6O₂ -> 6H₂O, vilket är tillsatsen av elektroner i form av väte.

Vad ekvationen som helhet översätter till är att energin som hålls i reaktanternas kemiska bindningar är används för att ansluta adenosindifosfat (ADP) till fria fosforatomer (P) för att generera adenosintrifosfat (ATP).

Processen som helhet innefattar flera steg: Glykolys äger rum i cytoplasman, följt av Krebs cykel och elektrontransportkedjan i mitokondriell matris och på mitokondriellt membran respektive.

Det första steget i nedbrytningen av glukos i både växter och djur är en serie av 10 reaktioner som kallas glykolys. Glukos tränger in i djurceller från utsidan via livsmedel som bryts ner i glukosmolekyler som cirkulerar i blodet och tas upp av vävnader där energi behövs mest (inklusive hjärna). Växter, däremot, syntetiserar glukos från att ta in koldioxid från utsidan och använda fotosyntes för att omvandla CO₂ till glukos. Vid denna tidpunkt, oavsett hur den kom dit, är varje molekyl glukos engagerad i samma öde.

Tidigt i glykolys fosforyleras glukosmolekylen med sex kol för att fånga den inuti cellen; fosfater är negativt laddade och kan därför inte drivas genom cellmembranet som icke-polära, oladdade molekyler ibland kan. En andra fosfatmolekyl tillsätts, vilket gör molekylen instabil och den klyvs snart i två icke-identiska trekolföreningar. Dessa antar snart den kemiska formen och omarrangeras i en serie steg för att slutligen ge två molekyler av pyruvat. Längs vägen konsumeras två ATP-molekyler (de levererar de två fosfater som tillsätts glukos tidigt) och fyra produceras, två genom varje trekolprocess, för att ge ett netto av två ATP-molekyler per molekyl av glukos.

I bakterier är glykolys ensam tillräcklig för cellens - och därmed hela organismens - energibehov. Men i växter och djur är så inte fallet, och med pyruvat har glukosens slutliga öde knappt börjat. Det bör noteras att glykolys i sig inte kräver syre, men syre ingår i allmänhet i diskussioner om aerob andning och därmed cellulär andning eftersom det krävs för att syntetisera pyruvat.

En vanlig missuppfattning bland biologientusiaster är att kloroplaster har samma funktion i växter som mitokondrier gör hos djur, och att varje typ av organism bara har den ena eller den andra. Detta är inte så. Växter har både kloroplaster och mitokondrier, medan djur bara har mitokondrier. Växter använder kloroplaster som generatorer - de använder en liten kolkälla (CO₂) för att bygga en större (glukos). Djurceller får sin glukos genom att bryta ner makromolekyler som kolhydrater, proteiner och fetter och behöver således inte skapa glukos inifrån. Detta kan verka konstigt och ineffektivt när det gäller växter, men växter har utvecklat en funktion som djur inte har: förmågan att utnyttja solljus för direkt användning i metaboliska funktioner. Detta gör att växter bokstavligen kan göra sin egen mat.

Mitokondrier tros ha varit en slags fristående bakterier för många hundra miljoner år sedan, en teori som stöds av deras anmärkningsvärd strukturell likhet med bakterier såväl som deras metaboliska maskiner och närvaron av deras egna DNA och organeller som kallas ribosomer. Eukaryoter uppstod först för över en miljard år sedan när en cell lyckades svälja en annan (endosymbiont-hypotesen), vilket leder till ett arrangemang som var mycket fördelaktigt för den som ägnar sig åt detta arrangemang på grund av expanderad energiproduktion Förmågor. Mitokondrier består av ett dubbelt plasmamembran, som celler själva; det inre membranet innehåller veck som kallas cristae. Den inre delen av mitokondrier är känd som matrisen och är analog med cytoplasman i hela celler.

Kloroplaster, som mitokondrier, har yttre och inre membran och sitt eget DNA. Inuti utrymmet inneslutet av det inre membranet ligger ett sortiment av sammankopplade, skiktade och vätskefyllda membranpåsar som kallas tylakoider. Varje "stack" av tylakoider bildar en granum (plural: grana). Vätskan i det inre membranet som omger grana kallas stroma.

Kloroplaster innehåller ett pigment som kallas klorofyll som båda ger växterna sin gröna färg och fungerar som solfångare för fotosyntes. Ekvationen för fotosyntes är exakt motsatsen till cellulär andning, men de enskilda stegen att komma ifrån koldioxid till glukos inte på något sätt liknar de omvända reaktionerna i elektrontransportkedjan, Krebs-cykeln och glykolys.

I denna process, även kallad trikarboxylsyra (TCA) eller citronsyracykeln, omvandlas pyruvatmolekyler först till tvåkolmolekyler som kallas acetylkoenzym A (acetyl CoA). Detta frigör en molekyl av CO₂. Acetyl CoA-molekyler kommer sedan in i mitokondriell matris, där var och en av dem kombineras med en fyrkolmolekyl av oxaloacetat för att bilda citronsyra. Således, om du gör noggrann redovisning, resulterar en molekyl glukos i två molekyler citronsyra i början av Krebs-cykeln.

Citronsyra, en sexkolmolekyl, omarrangeras till isocitrat och sedan avlägsnas en kolatom för att bilda ketoglutarat, med en CO₂ avslutar cykeln. Ketoglutarat avlägsnas i sin tur från en annan kolatom och genererar ytterligare en CO₂ och succinat och bildar också en molekyl av ATP. Därifrån omvandlas den fyrkoliga succinatmolekylen sekventiellt till fumarat, malat och oxaloacetat. Dessa reaktioner ser att vätejoner avlägsnas från dessa molekyler och klistras på elektroner med hög energi NAD + och FAD + för att bilda NADH och FADH₂ respektive, som i huvudsak är energi "skapande" i förklädnad, som du snart kommer att se. I slutet av Krebs-cykeln har den ursprungliga glukosmolekylen gett upphov till 10 NADH och två FADH₂ molekyler.

Reaktionerna i Krebs-cykeln producerar endast två molekyler ATP per original glukosmolekyl, en för varje "sväng" av cykeln. Detta innebär att förutom de två ATP som produceras i glykolys, efter Krebs-cykeln, är resultatet totalt fyra ATP. Men de verkliga resultaten av aerob andning har ännu inte utvecklats i detta skede.

Elektrontransportkedjan, som förekommer på cristae i det inre mitokondriella membranet, är det första steget i cellulär andning som uttryckligen förlitar sig på syre. NADH och FADH₂ som produceras i Krebs-cykeln är nu redo att bidra till energiutsläpp på ett stort sätt.

Sättet detta händer är att vätejonerna som lagras på dessa elektronbärarmolekyler (en vätejon kan t.ex. nuvarande syften, betraktas som ett elektronpar när det gäller dess bidrag till denna del av andningen) är vana vid skapa en kemiosmotisk lutning. Du har kanske hört talas om en koncentrationsgradient, där molekyler flyter från regioner med högre koncentration till områden med lägre koncentration, som en sockerkub som löser sig i vatten och sockerpartiklarna sprids genom hela. I en kemiosmotisk gradient emellertid elektronerna från NADH och FADH₂ avvecklas och föras vidare av proteiner inbäddade i membranet och fungerar som elektronöverföringssystem. Energin som frigörs i denna process används för att pumpa vätejoner över membranet och skapa en koncentrationsgradient över det. Detta leder till ett nettoflöde av väteatomer i en riktning, och detta flöde används för att driva ett enzym som kallas ATP-syntas, vilket gör ATP från ADP och P. Tänk på elektrontransportkedjan som något som lägger en stor vikt på vatten bakom ett vattenhjul, vars efterföljande rotation används för att bygga saker.

Detta är inte för övrigt samma process som används i kloroplaster för att driva glukossyntes. Energikällan för att skapa en lutning över kloroplastmembranet är i detta fall inte NADH och FADH₂, men solljus. Det efterföljande flödet av vätejoner i riktning mot lägre H + -jonkoncentration används för att driva syntesen av större kolmolekyler från mindre, med början med CO₂ och slutar med C₆H₁₂O₆.

Energin som flyter från den kemiosmotiska gradienten används för att driva inte bara ATP-produktion utan även andra viktiga cellulära processer, såsom proteinsyntes. Om elektrontransportkedjan avbryts (som vid långvarig syrebrist) kan denna protongradient inte upprätthållas och produktion av cellulär energi slutar, precis som ett vattenhjul slutar flöda när vattnet runt det inte längre har ett tryckflöde lutning.

Eftersom varje NADH-molekyl har visats att de producerar ungefär tre molekyler ATP och varje FADH₂ producerar två ATP-molekyler, den totala energin som frigörs av elektrontransportkedjereaktionen är (med hänvisning till föregående avsnitt) 10 gånger 3 (för NADH) plus 2 gånger 2 (för FADH₂) för totalt 34 ATP. Lägg till detta till 2 ATP från glykolys och 2 från Krebs-cykeln, och det är här 38 ATP-figuren i ekvationen för aerob andning kommer ifrån.