Hur fångar celler energi som frigörs genom cellulär andning?

Levande organismer bildar en energikedja där växter producerar mat som djur och andra organismer använder för energi. Huvudprocessen som producerar mat är fotosyntes i växter och den huvudsakliga metoden för att omvandla maten till energi är cellulär andning.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Den energiöverförande molekylen som används av celler är ATP. Processen med cellulär andning omvandlar molekylen ADP till ATP, där energin lagras. Detta sker via trestegsprocessen med glykolys, citronsyracykeln och elektrontransportkedjan. Cellandning andas och oxiderar glukos för att bilda ATP-molekyler.

Under fotosyntes fångar växter ljusenergi och använder den för att driva kemiska reaktioner i växtcellerna. Ljusenergin låter växter kombinera kol från koldioxid i luften med väte och syre från vatten till bildning glukos.

I cellandningen, äter organismer som djur mat som innehåller glukos och bryter ner glukosen i energi, koldioxid och vatten. Koldioxiden och vattnet utvisas från organismen och energin lagras i en molekyl som kallas

Levande organismer är antingen encelliga prokaryoter eller eukaryoter, som kan vara encelliga eller flercelliga. Huvudskillnaden mellan de två är att prokaryoter har en enkel cellstruktur utan kärna eller cellorganeller. Eukaryoter har alltid en kärna och mer komplicerade cellprocesser.

Encellsorganismer av båda typerna kan använda flera metoder för att producera energi och många använder också cellulär andning. Avancerade växter och djur är alla eukaryoter och de använder cellulär andning nästan uteslutande. Växter använder fotosyntes för att fånga energi från solen men lagrar sedan det mesta av den energin i form av glukos.

Både växter och djur använder glukosen som produceras från fotosyntes som ett energikälla.

Fotosyntes producerar glukos, men glukosen är bara ett sätt att lagra kemisk energi och kan inte användas av celler direkt. Den totala fotosyntesprocessen kan sammanfattas i följande formel:

6CO₂ + 12H₂O + ljusenergi → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

Växterna använder fotosyntes för att konvertera ljusenergi i kemisk energi och de lagrar den kemiska energin i glukos. En andra process behövs för att använda den lagrade energin.

Cellular respiration omvandlar den kemiska energi som lagras i glukos till kemisk energi lagrad i ATP-molekylen. ATP används av alla celler för att driva på deras ämnesomsättning och deras aktiviteter. Muskelceller är bland de typer av celler som använder glukos för energi men omvandlar det till ATP först.

Den övergripande kemiska reaktionen för cellulär andning är som följer:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP-molekyler

Cellerna bryter ner glukos i koldioxid och vatten samtidigt som de producerar energi som de lagrar i ATP-molekyler. De använder sedan ATP-energin för aktiviteter som muskelkontraktion. Den kompletta cellulära andningsprocessen har tre etapper.

Glukos är ett kolhydrat med sex kolatomer. Under det första steget i den cellulära andningsprocessen kallas glykolysbryter cellen glukosmolekylerna i två pyruvatmolekyler eller trekolmolekyler. För att få igång processen tar det energi så två ATP-molekyler från cellens reserver används.

I slutet av processen, när de två pyruvatmolekylerna skapas, frigörs energi och lagras i fyra ATP-molekyler. Glykolys använder två ATP-molekyler och producerar fyra för varje behandlad glukosmolekyl. Nettovinsten är två ATP-molekyler.

Glykolys börjar i cellcytoplasman, men cellandningsprocessen sker huvudsakligen i mitokondrier. De typer av celler som använder glukos för energi inkluderar nästan alla celler i människokroppen med undantag av högspecialiserade celler som blodkroppar.

Mitokondrierna är små membranbundna organeller och är cellfabrikerna som producerar ATP. De har ett slätt yttre membran och ett högt vikat inre membran där de cellulära andningsreaktionerna äger rum.

Reaktionerna sker först inuti mitokondrierna för att producera en energigradient över det inre membranet. Efterföljande reaktioner som involverar membranet producerar den energi som används för att skapa ATP-molekyler.

Pyruvat producerat genom glykolys är inte den slutliga produkten av cellulär andning. Ett andra steg bearbetar de två pyruvatmolekylerna till en annan mellanliggande substans som kallas acetyl CoA. Acetyl CoA går in i citronsyracykel och kolatomerna från den ursprungliga glukosmolekylen omvandlas fullständigt till CO₂. De citronsyra rot återvinns och länkar till en ny acetyl CoA-molekyl för att upprepa processen.

Oxidationen av kolatomerna producerar ytterligare två ATP-molekyler och omvandlar enzymerna NAD⁺ och FAD till NADH och FADH₂. De omvandlade enzymerna används i det tredje och sista steget av cellulär andning där de fungerar som elektrondonatorer för elektrontransportkedjan.

ATP-molekylerna fångar upp en del av den producerade energin men det mesta av den kemiska energin finns kvar i NADH-molekylerna. Citronsyracykelreaktionerna äger rum inne i mitokondrierna.

De elektron transport kedja (ETC) består av en serie föreningar belägna på mitokondriernas inre membran. Den använder elektroner från NADH och FADH₂ enzymer som produceras av citronsyracykeln för att pumpa protoner över membranet.

I en kedja av reaktioner, högenergielektronerna från NADH och FADH₂ överförs i serien av ETC-föreningar där varje steg leder till ett lägre elektronenergitillstånd och protoner pumpas över membranet.

I slutet av ETC-reaktionerna accepterar syremolekyler elektronerna och bildar vattenmolekyler. Elektronenergin som ursprungligen kommer från uppdelningen och oxidationen av glukosmolekylen har omvandlats till en proton energi gradient över mitokondriernas inre membran.

Eftersom det finns en obalans mellan protoner över det inre membranet upplever protonerna en kraft att diffundera tillbaka in i mitokondriernas inre. Ett enzym som kallas ATP-syntas är inbäddad i membranet och skapar en öppning, vilket gör att protonerna kan röra sig tillbaka över membranet.

När protonerna passerar genom ATP-syntasöppningen använder enzymet energin från protonerna för att skapa ATP-molekyler. Huvuddelen av energin från cellulär andning fångas i detta skede och lagras i 32 ATP-molekyler.

ATP är en komplex organisk kemikalie med en adeninbas och tre fosfatgrupper. Energi lagras i bindningarna som innehåller fosfatgrupperna. När en cell behöver energi bryter den en av fosfatgruppernas bindning och använder den kemiska energin för att skapa nya bindningar i andra cellämnen. ATP-molekylen blir adenosindifosfat eller ADP.

I cellulär andning används den frigjorda energin för att lägga till en fosfatgrupp till ADP. Tillsatsen av fosfatgruppen fångar energin från glykolys, citronsyracykeln och den stora mängden energi från ETC. De resulterande ATP-molekylerna kan användas av organismen för aktiviteter som rörelse, letar efter mat och reproduktion.