Aerobik Solunumun İşlevi Nedir?

Genellikle "hücresel solunum" ile birbirinin yerine kullanılan bir terim olan aerobik solunum, canlılar için olağanüstü yüksek verimli bir yoldur. Oksijen varlığında karbon bileşiklerinin kimyasal bağlarında depolanan enerjiyi çıkarın ve bu çıkarılan enerjiyi metabolik olarak kullanmak için kullanın. süreçler. Ökaryotik organizmalar (yani hayvanlar, bitkiler ve mantarlar), esas olarak mitokondri adı verilen hücresel organellerin varlığı sayesinde aerobik solunumdan yararlanır. Birkaç prokaryotik organizma (yani bakteri) daha ilkel aerobik solunum yollarını kullanır, ama genel olarak, "aerobik solunum" gördüğünüzde, "çok hücreli ökaryotik" düşünmelisiniz. organizma."

Ama aklınıza gelmesi gereken tek şey bu değil. Aşağıdakiler, aerobik solunumun temel kimyasal yolları hakkında bilmeniz gereken her şeyi size anlatmaktadır. böylesine önemli bir dizi reaksiyon ve bunların biyolojik ve jeolojik süreç boyunca nasıl başladığı Tarih.

Tüm hücresel besin metabolizması, glikoz molekülleri ile başlar. Bu altı karbonlu şeker, glikozun kendisi basit bir karbonhidrat olmasına rağmen, üç makro besin sınıfındaki (karbonhidratlar, proteinler ve yağlar) gıdalardan elde edilebilir. Oksijen varlığında glikoz, karbondioksit, su, ısı üretmek için yaklaşık 20 reaksiyon zincirinde dönüştürülür ve parçalanır. ve 36 veya 38 molekül adenozin trifosfat (ATP), tüm canlılarda hücreler tarafından doğrudan bir kaynak olarak en sık kullanılan molekül. yakıt. Aerobik solunumla üretilen ATP miktarındaki değişiklik, bitki hücrelerinin bazen bir glikoz molekülünden 38 ATP sıkıştırırken, hayvan hücreleri glikoz başına 36 ATP üretir. molekül. Bu ATP, serbest fosfat moleküllerinin (P) ve adenozin difosfatın (ADP) hemen hemen tümü ile birleştirilmesinden gelir. bu, elektron taşıma reaksiyonlarında aerobik solunumun son aşamalarında meydana gelir. Zincir.

Aerobik solunumu tanımlayan tam kimyasal reaksiyon:

C₆H₁₂Ö₆ + 36 (veya 38) ADP + 36 (veya 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 kcal + 36 (veya 38) ATP.

Tepkinin kendisi bu biçimde yeterince basit görünse de, tepkiden almak için atması gereken çok sayıda adımı yalanlıyor. denklemin sol tarafına (reaktanlar) sağ tarafa (420 kilokalori serbest bırakılan ürünler dahil) sıcaklık). Geleneksel olarak, tüm reaksiyonlar koleksiyonu, her birinin gerçekleştiği yere göre üç bölüme ayrılır: glikoliz (sitoplazma), Krebs döngüsü (mitokondriyal matris) ve elektron taşıma zinciri (iç mitokondriyal zar). Bununla birlikte, bu süreçleri ayrıntılı olarak incelemeden önce, aerobik solunumun Dünya'da nasıl başladığına bir göz atmakta fayda var.

Aerobik solunumun işlevi, hücre ve dokuların onarımı, büyümesi ve bakımı için yakıt sağlamaktır. Bu, aerobik solunumun ökaryotik organizmaları canlı tuttuğunu belirtmenin biraz resmi bir yoludur. Çoğu durumda günlerce yemek yemeden ve en azından birkaç gün su içmeden yaşayabilirsiniz, ancak oksijensiz sadece birkaç dakika geçirebilirsiniz.

Oksijen (O), normal havada diyatomik formunda bulunur, O₂. Bu element, bir anlamda, 1600'lerde, bilim adamlarının havanın bir element içerdiğinin ortaya çıkmasıyla keşfedildi. Kapalı bir ortamda alevle veya uzun vadede tükenebilen hayvanların hayatta kalması için hayati önem taşıyan nefes almak.

Oksijen, soluduğunuz gaz karışımının yaklaşık beşte birini oluşturur. Ancak gezegenin 4,5 milyar yıllık tarihinde her zaman bu şekilde olmadı ve dünyadaki değişim. Zamanla Dünya atmosferindeki oksijen miktarının biyolojik sistemler üzerinde tahmin edilebileceği gibi derin etkileri oldu. evrim. Gezegenin mevcut ömrünün ilk yarısında, Hayır havadaki oksijen. 1,7 milyar yıl önce, atmosfer yüzde 4 oksijenden oluşuyordu ve tek hücreli organizmalar ortaya çıktı. 0,7 milyar yıl önce, O₂ havanın yüzde 10 ila 20'sini oluşturuyordu ve daha büyük, çok hücreli organizmalar ortaya çıkmıştı. 300 milyon yıl önce, oksijen içeriği havanın yüzde 35'ine yükselmişti ve buna bağlı olarak dinozorlar ve diğer çok büyük hayvanlar normdu. Daha sonra, O'nun sahip olduğu havanın payı₂ yüzde 15'e gerileyene kadar tekrar bugünkü konumuna yükseldi.

Oksijenin nihai işlevinin hayvanları büyütmek olduğu, bilimsel olarak son derece muhtemel görünen bu modeli tek başına izleyerek açıktır.

Glikolizin 10 reaksiyonu, ilerlemek için oksijen gerektirmez ve glikoliz, hem prokaryotik hem de ökaryotik tüm canlılarda bir dereceye kadar meydana gelir. Ancak glikoliz, hücresel solunumun spesifik aerobik reaksiyonları için gerekli bir öncüdür ve normalde bunlarla birlikte tanımlanır.

Altıgen halka yapısına sahip altı karbonlu bir molekül olan glikoz, hücrenin sitoplazmasına girdiğinde hemen fosforlanır, yani bir karbonuna bağlı bir fosfat grubuna sahiptir. Bu, glikoz molekülünü hücreye net bir negatif yük vererek etkin bir şekilde hapseder. Molekül daha sonra, moleküle başka bir fosfat eklenmeden önce, atom kaybı veya kazanımı olmadan fosforile edilmiş fruktoza yeniden düzenlenir. Bu, molekülün dengesini bozar ve daha sonra her biri kendi fosfatı bağlı olan bir çift üç karbonlu bileşiğe parçalanır. Bunlardan biri diğerine dönüştürülür ve daha sonra bir dizi adımda, iki üç karbonlu molekül, fosfatlarını ADP (adenosin difosfat) moleküllerine bırakarak 2 ATP verir. Orijinal altı karbonlu glikoz molekülü, piruvat adı verilen üç karbonlu bir molekülün iki molekülü olarak sarılır ve ek olarak, iki molekül NADH (daha sonra ayrıntılı olarak tartışılacaktır) üretilir.

Piruvat, oksijen varlığında hücresel organellerin matriksine ("orta" düşünün) hareket eder. mitokondri olarak adlandırılır ve asetil koenzim A (asetil) adı verilen iki karbonlu bir bileşiğe dönüştürülür. KoA). Bu süreçte, bir karbon dioksit molekülü (CO₂). Bu süreçte, bir NAD molekülü⁺ (sözde yüksek enerjili elektron taşıyıcısı) NADH'ye dönüştürülür.

Sitrik asit döngüsü veya trikarboksilik asit döngüsü olarak da adlandırılan Krebs döngüsü, bir reaksiyondan ziyade bir döngü olarak adlandırılır. çünkü ürünlerinden biri olan dört karbonlu oksaloasetat molekülü bir molekül ile birleşerek döngünün başlangıcına yeniden girer. asetil CoA. Bu, sitrat adı verilen altı karbonlu bir molekülle sonuçlanır. Bu molekül, bir dizi enzim tarafından alfa-ketoglutarat adı verilen beş karbonlu bir bileşiğe dönüştürülür ve daha sonra süksinat elde etmek için başka bir karbon kaybeder. Her karbon kaybolduğunda, CO şeklindedir.₂ve bu reaksiyonlar enerjisel olarak uygun olduğundan, her karbondioksit kaybına başka bir NAD dönüşümü eşlik eder.⁺ NAD'a. Süksinat oluşumu ayrıca bir ATP molekülü oluşturur.

Süksinat fumarata dönüştürülerek bir molekül FADH üretilir.₂ FAD'dan²⁺ (NAD'a benzer bir elektron taşıyıcı⁺ işlevde). Bu malata dönüştürülür ve daha sonra oksaloasetata dönüştürülen başka bir NADH verir.

Skor tutuyorsanız, 3 NADH, 1 FADH sayabilirsiniz.₂ ve Krebs döngüsünün her dönüşünde 1 ATP. Ancak, her bir glikoz molekülünün, döngüye giriş için iki molekül asetil CoA sağladığını unutmayın, bu nedenle sentezlenen bu moleküllerin toplam sayısı 6 NADH, 2 FADH'dir.₂ ve 2 ATP. Bu nedenle Krebs döngüsü doğrudan fazla enerji üretmez - yukarı akışta sağlanan glikoz molekülü başına sadece 2 ATP - ve oksijene de ihtiyaç yoktur. Ama NADH ve FADH₂ için kritik oksidatif fosforilasyon topluca elektron taşıma zinciri olarak adlandırılan bir sonraki reaksiyon dizisindeki adımlar.

NADH ve FADH'nin çeşitli molekülleri₂ Hücresel solunumun önceki adımlarında yaratılan, cristae adı verilen iç mitokondriyal zarın kıvrımlarında meydana gelen elektron taşıma zincirinde kullanılmaya hazırdır. Kısaca, NAD'ye bağlı yüksek enerjili elektronlar⁺ ve FAD²⁺ zar boyunca bir proton gradyanı oluşturmak için kullanılır. Bu sadece daha yüksek bir proton konsantrasyonu olduğu anlamına gelir (H⁺ iyonlar) zarın bir tarafında diğer tarafına göre daha yüksek proton konsantrasyonuna sahip alanlardan daha düşük proton konsantrasyonuna sahip alanlara akması için bir itici güç yaratır. Bu şekilde protonlar, örneğin daha yüksek bir bölgeden daha düşük bir alana geçmek "isteyen" sudan biraz farklı davranırlar. konsantrasyon - burada, elektron taşınmasında gözlenen kemiozmotik gradyan yerine yerçekiminin etkisi altında Zincir.

Bir hidroelektrik santralindeki türbin gibi, akan suyun enerjisini başka bir yerde iş yapmak için kullanır (bu durumda elektrik üretir), enerjinin bir kısmı proton tarafından oluşturulur. ATP üretmek için serbest fosfat gruplarını (P) ADP moleküllerine bağlamak için membran boyunca gradyan yakalanır. fosforilasyon). Aslında bu, elektron taşıma zincirinde, tüm NADH ve FADH₂ glikolizden ve Krebs döngüsünden - ilkinin yaklaşık 10'u ve ikincisinin ikisi - kullanılır. Bu, glikoz molekülü başına yaklaşık 34 ATP molekülünün oluşturulmasıyla sonuçlanır. Glikoliz ve Krebs döngüsünün her biri glikoz molekülü başına 2 ATP verdiğinden, serbest bırakılan enerjinin toplam miktarı, en azından ideal koşullar altında, toplamda 34 + 2 + 2 = 38 ATP'dir.

Elektron taşıma zincirinde protonların iç mitokondriyal membranı geçerek bu arasındaki boşluğa girebilecekleri üç farklı nokta vardır. daha sonra ve dış mitokondriyal membran ve fiziksel bağlantı noktalarını oluşturan dört farklı moleküler kompleks (I, II, III ve IV numaralı) Zincir.

Elektron taşıma zinciri oksijen gerektirir çünkü O₂ zincirde son elektron çifti alıcısı olarak görev yapar. Oksijen yoksa, zincirdeki reaksiyonlar hızla durur çünkü elektronların "aşağı akış" akışı durur; gidecek yerleri yok. Elektron taşıma zincirini felç edebilen maddeler arasında siyanür (CN^-). Bu nedenle cinayet programlarında veya casus filmlerinde siyanürün ölümcül bir zehir olarak kullanıldığını görmüş olabilirsiniz; yeterli dozlarda verildiğinde alıcının içindeki aerobik solunum durur ve bununla birlikte hayatın kendisi durur.

Bitkilerin karbondioksitten oksijen elde etmek için fotosentez yaptığı, hayvanların ise karbondioksiti kullandığı varsayılır. oksijenden karbondioksit üretmek için solunum, böylece ekosistem çapında temiz, tamamlayıcı, tamamlayıcı bir ortamın korunmasına yardımcı olur. denge. Bu yüzeyde doğru olsa da yanıltıcıdır, çünkü bitkiler hem fotosentezden hem de aerobik solunumdan yararlanırlar.

Bitkiler yemek yiyemedikleri için yiyeceklerini yutmak yerine kendileri yapmak zorundadırlar. Hayvanlarda eksik olan kloroplast adı verilen organellerde gerçekleşen bir dizi reaksiyon olan fotosentez bunun içindir. Güneş ışığı ile güçlendirilmiştir, CO₂ bitki hücresinin içinde, mitokondrideki elektron taşıma zincirine benzeyen bir dizi adımda kloroplastların içinde glikoza birleştirilir. Glikoz daha sonra kloroplasttan salınır; çoğu bitkinin yapısal bir parçası haline gelirse, ancak bazıları glikolize uğrar ve daha sonra bitki hücresi mitokondrisine girdikten sonra aerobik solunumun geri kalanı boyunca ilerler.