Hücresel Solunum: Tanım, Denklem ve Adımlar

Filozof Bertrand Russell, "Her canlı, mümkün olduğu kadar dönüştürmeye çalışan bir tür emperyalisttir. metaforları bir yana, hücresel solunum, canlıların nihayetinde yaptıklarının biçimsel yoludur. bu. Hücresel solunum, dış ortamdan (hava ve karbon kaynakları) yakalanan maddeleri alır ve onları daha fazla hücre ve doku inşa etmek ve yaşamı sürdürmek için enerjiye dönüştürür. faaliyetler. Aynı zamanda atık ürünler ve su üretir. Bu, genellikle "nefes alma" ile aynı anlama gelen günlük anlamda "solunum" ile karıştırılmamalıdır. Nefes almak nasıl organizmalar oksijen elde eder, ancak bu oksijeni işlemekle aynı şey değildir ve nefes almak da oksijen için gerekli olan karbonu sağlayamaz. solunum; diyet bununla ilgilenir, en azından hayvanlarda.

Hücresel solunum hem bitkilerde hem de hayvanlarda gerçekleşir, ancak prokaryotlarda (örn. mitokondriler ve diğer organeller oksijeni kullanamazlar, bu da onları enerji olarak glikoliz ile sınırlar. kaynak. Bitkiler belki de solunumdan çok fotosentez ile ilişkilidir, ancak fotosentez bitki hücresi solunumu için oksijen kaynağı ve ayrıca bitki tarafından kullanılabilecek bitkiden çıkan bir oksijen kaynağı hayvanlar. Her iki durumda da nihai yan ürün, canlılardaki birincil kimyasal enerji taşıyıcısı olan ATP veya adenosin trifosfattır.

Genellikle aerobik solunum olarak adlandırılan hücresel solunum, karbondioksit ve su vermek üzere oksijen varlığında glikoz molekülünün tamamen parçalanmasıdır:

C₆H₁₂Ö₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P –> 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP + 420 Kcal

Bu denklemin bir oksidasyon bileşeni vardır (C₆H₁₂Ö₆ –> 6CO₂), esasen hidrojen atomları şeklinde elektronların çıkarılmasıdır. Ayrıca bir indirgeme bileşenine sahiptir, 6O₂ –> 6H₂O, elektronların hidrojen şeklinde eklenmesidir.

Bir bütün olarak denklemin anlamı, reaktanların kimyasal bağlarında tutulan enerjinin adenosin trifosfat üretmek için adenosin difosfatı (ADP) serbest fosfor atomlarına (P) bağlamak için kullanılır (ATP).

Bir bütün olarak süreç birden fazla adımı içerir: Glikoliz sitoplazmada gerçekleşir, ardından Krebs gelir. mitokondriyal matriste ve mitokondriyal zarda döngü ve elektron taşıma zinciri sırasıyla.

Hem bitkilerde hem de hayvanlarda glikozun parçalanmasındaki ilk adım, glikoliz olarak bilinen bir dizi 10 reaksiyondur. Glikoz, glikoz moleküllerine parçalanan gıdalar yoluyla dışarıdan hayvan hücrelerine girer. kanda dolaşan ve enerjiye en çok ihtiyaç duyulan dokular tarafından alınan beyin). Bitkiler, tersine, dışarıdan karbondioksit alarak ve CO2'yi dönüştürmek için fotosentez kullanarak glikoz sentezler.₂ glikoza. Bu noktada, oraya nasıl geldiğine bakılmaksızın, her glikoz molekülü aynı kadere bağlıdır.

Glikolizin başlarında, altı karbonlu glikoz molekülü, onu hücre içinde tutmak için fosforile edilir; fosfatlar negatif yüklüdür ve bu nedenle bazen polar olmayan, yüksüz moleküller gibi hücre zarından sürüklenemezler. İkinci bir fosfat molekülü eklenir, bu da molekülü kararsız hale getirir ve kısa süre sonra iki özdeş olmayan üç karbonlu bileşiğe bölünür. Bunlar çok geçmeden kimyasal formu alırlar ve bir dizi adımda yeniden düzenlenirler ve sonuçta iki molekül molekülü verirler. piruvat. Yol boyunca, iki ATP molekülü tüketilir (bunlar glikoza erken eklenen iki fosfatı sağlarlar) ve her biri üç karbonlu işlemle iki tane olmak üzere dört tane üretilir ve molekül başına net iki ATP molekülü elde edilir. glikoz.

Bakterilerde tek başına glikoliz, hücrenin ve dolayısıyla tüm organizmanın enerji ihtiyacı için yeterlidir. Ancak bitkilerde ve hayvanlarda durum böyle değildir ve piruvatta glikozun nihai kaderi daha yeni başlamıştır. Glikolizin kendisinin oksijen gerektirmediğine dikkat edilmelidir, ancak oksijen genellikle sentezlenmesi gerektiğinden aerobik solunum ve dolayısıyla hücresel solunum hakkında tartışmalar piruvat.

Biyoloji meraklıları arasında yaygın bir yanılgı, kloroplastların bitkilerde hayvanlarda mitokondrilerle aynı işlevi gördüğü ve her tür organizmanın yalnızca bir veya diğerine sahip olmasıdır. Bu öyle değil. Bitkilerde hem kloroplast hem de mitokondri bulunurken hayvanlarda sadece mitokondri bulunur. Bitkiler jeneratör olarak kloroplast kullanır - küçük bir karbon kaynağı (CO₂) daha büyük bir tane (glikoz) oluşturmak için. Hayvan hücreleri glikozlarını karbonhidratlar, proteinler ve yağlar gibi makromolekülleri parçalayarak alırlar ve bu nedenle içeriden glikoz oluşturmaya ihtiyaç duymazlar. Bitkiler söz konusu olduğunda bu garip ve verimsiz görünebilir, ancak bitkiler hayvanlarda olmayan bir özelliği geliştirmiştir: metabolik işlevlerde doğrudan kullanım için güneş ışığından yararlanma yeteneği. Bu, bitkilerin kelimenin tam anlamıyla kendi yiyeceklerini yapmalarını sağlar.

Mitokondrinin yüz milyonlarca yıl önce bağımsız bir bakteri türü olduğuna inanılıyor, bu teori onların bilim adamları tarafından destekleniyor. bakterilere, metabolik mekanizmalarına ve kendi DNA ve organellerinin mevcudiyetine dikkate değer yapısal benzerlik. ribozomlar. Ökaryotlar ilk olarak bir milyar yıl önce bir hücre diğerini yutmayı başardığında ortaya çıktı (endosembiyoz hipotezi), genişletilmiş enerji üretimi nedeniyle bu düzenlemede yutan için çok faydalı olan bir düzenlemeye yol açtı. yetenekler. Mitokondri, hücrelerin kendileri gibi bir çift plazma zarından oluşur; iç zarda cristae adı verilen kıvrımlar bulunur. Mitokondrinin iç kısmı matris olarak bilinir ve tüm hücrelerin sitoplazmasına benzer.

Mitokondri gibi kloroplastlar, dış ve iç zarlara ve kendi DNA'larına sahiptir. Bir iç zar tarafından çevrelenen boşluğun içinde, tilakoidler adı verilen birbirine bağlı, katmanlı ve sıvı dolu membranöz keseler bulunur. Tilakoidlerin her "yığını" bir granum (çoğul: grana) oluşturur. Granayı çevreleyen iç zar içindeki sıvıya stroma denir.

Kloroplastlar, hem bitkilere yeşil rengini veren hem de fotosentez için güneş ışığı toplayıcı görevi gören klorofil adı verilen bir pigment içerir. Fotosentez denklemi, hücresel solunum denkleminin tam tersidir, ancak elde edilecek bireysel adımlar karbondioksitten glikoza elektron taşıma zincirinin ters reaksiyonlarına, Krebs döngüsüne ve glikoliz.

Trikarboksilik asit (TCA) döngüsü veya sitrik asit döngüsü olarak da adlandırılan bu süreçte, piruvat molekülleri önce asetil koenzim A (asetil CoA) adı verilen iki karbonlu moleküllere dönüştürülür. Bu, bir CO molekülü serbest bırakır.₂. Asetil CoA molekülleri daha sonra mitokondriyal matrise girer, burada her biri dört karbonlu bir oksaloasetat molekülü ile birleşerek sitrik asit oluşturur. Bu nedenle, dikkatli bir hesap yapıyorsanız, bir molekül glikoz, Krebs döngüsünün başlangıcında iki molekül sitrik asit ile sonuçlanır.

Altı karbonlu bir molekül olan sitrik asit, izositrata yeniden düzenlenir ve daha sonra bir CO ile ketoglutarat oluşturmak için bir karbon atomu sıyrılır.₂ döngüden çıkmak. Ketoglutarat sırayla başka bir karbon atomundan sıyrılarak başka bir CO üretir₂ ve süksinat ve ayrıca bir ATP molekülü oluşturur. Oradan, dört karbonlu süksinat molekülü sırayla fumarat, malat ve oksaloasetata dönüştürülür. Bu reaksiyonlar, hidrojen iyonlarının bu moleküllerden uzaklaştırıldığını ve NADH ve FADH oluşturmak üzere yüksek enerjili elektron taşıyıcıları NAD+ ve FAD+ üzerine yapıştığını görür.₂ sırasıyla, ki bu, yakında göreceğiniz gibi, kılık değiştirmiş enerji "yaratımı"dır. Krebs döngüsünün sonunda, orijinal glikoz molekülü, 10 NADH ve iki FADH'ye yol açmıştır.₂ moleküller.

Krebs döngüsünün reaksiyonları, orijinal glikoz molekülü başına, döngünün her "dönüşü" için bir tane olmak üzere, yalnızca iki ATP molekülü üretir. Bu, Krebs döngüsünden sonra glikolizde üretilen iki ATP'ye ek olarak, sonucun toplam dört ATP olduğu anlamına gelir. Ancak aerobik solunumun gerçek sonuçları henüz bu aşamada ortaya çıkmadı.

İç mitokondriyal zarın kristasında meydana gelen elektron taşıma zinciri, açıkça oksijene dayanan hücresel solunumun ilk adımıdır. NADH ve FADH₂ Krebs döngüsünde üretilenler artık enerji salınımına büyük ölçüde katkıda bulunmaya hazır.

Bunun gerçekleşme şekli, bu elektron taşıyıcı moleküllerde depolanan hidrojen iyonlarının (bir hidrojen iyonu, mevcut amaçlar, solunumun bu kısmına katkısı açısından bir elektron çifti olarak kabul edilir) için kullanılır. oluşturmak kimyasal gradyan. Moleküllerin daha yüksek konsantrasyonlu bölgelerden diğerine aktığı bir konsantrasyon gradyanını duymuşsunuzdur. Suda çözünen bir küp şeker ve şeker parçacıklarının dağılması gibi daha düşük konsantrasyonlu alanlar boyunca. Bununla birlikte, bir kemiozmotik gradyanda, NADH ve FADH'den gelen elektronlar₂ zara gömülü ve elektron transfer sistemleri olarak hizmet eden proteinler tarafından geçirilir. Bu işlemde açığa çıkan enerji, hidrojen iyonlarını zar boyunca pompalamak ve zar boyunca bir konsantrasyon gradyanı oluşturmak için kullanılır. Bu, bir yönde net bir hidrojen atomu akışına yol açar ve bu akış, ADP ve P'den ATP üreten ATP sentaz adı verilen bir enzime güç sağlamak için kullanılır. Elektron taşıma zincirini, bir su çarkının arkasına büyük bir su ağırlığı koyan bir şey olarak düşünün, sonraki dönüşü bir şeyler inşa etmek için kullanılır.

Bu tesadüfi değil, kloroplastlarda glikoz sentezini güçlendirmek için kullanılan aynı işlemdir. Kloroplast zarı boyunca bir gradyan oluşturmak için enerji kaynağı bu durumda NADH ve FADH değildir.₂, ama güneş ışığı. Daha düşük H+ iyon konsantrasyonu yönünde hidrojen iyonlarının sonraki akışı, CO ile başlayarak daha büyük karbon moleküllerinin daha küçük olanlardan sentezini güçlendirmek için kullanılır.₂ ve C ile biten₆H₁₂Ö₆.

Kemiozmotik gradyandan akan enerji, yalnızca ATP üretimine değil, protein sentezi gibi diğer hayati hücresel süreçlere güç sağlamak için kullanılır. Elektron taşıma zinciri kesintiye uğrarsa (uzun süreli oksijen yoksunluğunda olduğu gibi), bu proton gradyanı korunamaz ve Hücresel enerji üretimi durur, tıpkı etrafındaki su artık bir basınç akışına sahip olmadığında bir su çarkının akışını durdurması gibi. gradyan.

Her NADH molekülünün deneysel olarak yaklaşık üç ATP molekülü ve her bir FADH ürettiği gösterilmiştir.₂ iki ATP molekülü üretir, elektron taşıma zincir reaksiyonu tarafından salınan toplam enerji (önceki bölüme atıfta bulunarak) 10 çarpı 3 (NADH için) artı 2 çarpı 2 (FADH için)₂) toplam 34 ATP için. Bunu glikolizden 2 ATP'ye ve Krebs döngüsünden 2'ye ekleyin ve aerobik solunum denklemindeki 38 ATP rakamının geldiği yer burasıdır.