Клітини - це мікроскопічні, багатоцільові контейнери, які представляють найменші неподільні одиниці життя, оскільки вони проявляють розмноження, метаболізм та інші «життєві» якості. Насправді, оскільки прокаріотичні організми (члени доменів класифікації бактерій та архей) майже завжди складаються з однієї клітини, багато автономних клітин буквально живі.
Клітини використовують як джерело палива молекулу, звану аденозинтрифосфатом, або АТФ. Прокаріоти покладатися виключно на гліколіз - розщеплення глюкози до пірувату - як шлях до синтезу АТФ; цей процес дає загалом 2 АТФ на молекулу глюкози.
У контрасті, еукаріоти - тварини, рослини та гриби - вони набагато більші та мають набагато складніші окремі клітини, ніж прокаріоти, що робить гликоліз лише недостатнім для їх енергетичних потреб. Ось де клітинне дихання, повний розпад глюкози в присутності молекулярного кисню (O2) у вуглекислий газ (CO2) і вода (H2O), щоб утворити АТФ, надходить.
Детальніше про те, що таке клітинне дихання.
Термінологія клітинного метаболізму
Процес клітинного дихання відбувається у еукаріотів і технічно охоплює гліколіз Цикл Кребса та електронно-транспортний ланцюг (ETC). Це відбувається тому всі спочатку клітини обробляють глюкозу однаково - пропускаючи її через гліколіз. Потім у прокаріотів піруват може вступати лише у ферментацію, що дозволяє продовжувати гліколіз «вгору» через регенерацію проміжного продукту, що називається NAD+.
Оскільки еукаріоти можуть використовувати кисень, проте молекули вуглецю пірувату надходять у цикл Кребса як ацетил КоА і в кінцевому підсумку залишають ЕТС у вигляді вуглекислого газу (CO2). Продуктами клітинного дихання, що представляють інтерес, є АТФ від 34 до 36, що генеруються в циклі Кребса та ЕТС разом - дві частини клітинного дихання, які вважаються як аеробні ("з киснем") дихання.
Реакції клітинного дихання
Повна, збалансована реакція всього процесу клітинного дихання може бути представлена:
C.6H12О6 + 6O2 → 6 CO2 + 6 год2O + ~ 38 АТФ
Тільки гліколіз, форма анаеробного дихання, яке відбувається в цитоплазмі, складається з реакції:
C.6H12О6 + 2 НАД+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 СН3(C = O) COOH + 2 ATP + 2 NADH + 4 H+ + 2 год2О
У еукаріотів a реакція переходу в мітохондріях генерує ацетил кофермент А (ацетил КоА) для циклу Кребса:
2 СН3(C = O) COOH + 2 НАД+ + 2 кофермент A → 2 ацетил CoA + 2 NADH + 2 H+ + 2 CO2
CO2 потім входить в цикл Кребса, приєднуючись до оксалоацетату.
Етапи клітинного дихання
Клітинне дихання починається з гліколізу, серії з 10 реакцій, в яких знаходиться молекула глюкози фосфорильований двічі (тобто він має дві фосфатні групи, приєднані до різних вуглеців), використовуючи 2 АТФ, а потім розщеплюється на дві тривуглецеві сполуки, кожен вихід 2 АТФ на шляху до утворення пірувату. Таким чином, гліколіз постачає 2 АТФ безпосередньо на молекулу глюкози, а також дві молекули електронного носія NADH, який відіграє важливу роль нижче за течією в ETC.
У циклі Кребса CO2 і чотиривуглецева сполука оксалоацетат з’єднуються, утворюючи шестивуглецеву молекулу цитрат. Цитрат знову поступово відновлюється до оксалоацетату, виділяючи пару CO2 молекул, а також генерує 2 АТФ на CO2 молекула, що надходить у цикл, або 4 АТФ на глюкозу молекула далеко за течією. Що ще важливіше, загалом 6 NADH і 2 FADH2 (інший електронний носій) синтезуються.
Нарешті, електрони NADH і FADH2 (тобто їх атоми водню) відбираються ферментами електронно-транспортного ланцюга і використовуються для прикріплення фосфатів до АДФ, утворюючи багато АТФ - приблизно 32. На цьому кроці також виділяється вода. Таким чином, максимальний вихід АТФ з клітинного дихання від гліколізу, циклу Кребса та ЕТС становить 2 + 4 + 32 = 38 АТФ на молекулу глюкози.
Докладніше про чотири стадії клітинного дихання.