Яка функція аеробного дихання?

Зміст

• Хімічний підсумок аеробного дихання
• Витоки або аеробне дихання Землі
• Гліколіз: універсальна відправна точка
• Цикл Кребса
• Електронна транспортна ланцюг
• Фотосинтез та аеробне дихання в рослинах

Аеробне дихання, термін, який часто використовують взаємозамінно з "клітинним диханням", - це дивовижний високопродуктивний спосіб живих істот для отримання енергії, що зберігається в хімічних зв'язках вуглецевих сполук у присутності кисню, і передає цю видобуту енергію для використання в метаболічному процесів. Еукаріотичні організми (тобто тварини, рослини та грибки) використовують аеробне дихання, головним чином завдяки наявності клітинних органел, які називаються мітохондріями. Кілька прокаріотичних організмів (тобто бактерій) використовують більш рудиментарні аеробно-дихальні шляхи, але загалом, коли ви бачите «аеробне дихання», вам слід думати про «багатоклітинний еукаріотичний організм».

Але це ще не все, що має прийти вам у голову. Далі йде вам усе, що вам потрібно знати про основні хімічні шляхи аеробного дихання, чому це такий важливий набір реакцій та як все це почалося протягом біологічної та геологічної історії.

Хімічний підсумок аеробного дихання

Весь клітинний метаболізм поживних речовин починається з молекул глюкози. Цей шестивуглецевий цукор може бути отриманий з продуктів харчування у всіх трьох класах макроелементів (вуглеводи, білки та жири), хоча глюкоза сама по собі є простим вуглеводом. За наявності кисню глюкоза перетворюється та розпадається ланцюгом приблизно з 20 реакцій, щоб утворити діоксид вуглецю, воду, тепло та 36 або 38 молекул аденозинтрифосфату (АТФ), молекули, що найчастіше використовується клітинами у всіх живих речі як безпосереднє джерело палива. Різниця кількості АТФ, виробленого аеробним диханням, відображає той факт, що клітини рослин іноді видавлюють 38 АТФ з однієї молекули глюкози, тоді як клітини тварин генерують 36 АТФ на одну молекулу глюкози. Цей АТФ походить від поєднання вільних молекул фосфату (Р) та аденозинофосфату (АДФ), при цьому майже все це відбувається на самих останніх стадіях аеробного дихання в реакціях електронно-транспортного ланцюга.

Повна хімічна реакція, що описує аеробне дихання:

С₆Н₁₂О₆ + 36 (або 38) ADP + 36 (або 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6Н₂O + 420 ккал + 36 (або 38) АТФ.

Хоча сама реакція виявляється досить простою у цій формі, вона несе безліч кроків, необхідних для проходження лівої частини рівняння (реагенти) до правої частини (продукти, включаючи 420 кілокалорій звільненого тепла ). За умовою, вся сукупність реакцій поділяється на три частини, виходячи з того, де відбувається кожна з них: гліколіз (цитоплазма), цикл Кребса (мітохондріальна матриця) та електронно-транспортний ланцюг (внутрішня мітохондріальна мембрана). Перш ніж детально вивчити ці процеси, огляньте, як аеробне дихання почалося на Землі в порядку.

Витоки або аеробне дихання Землі

Функція аеробного дихання полягає у постачанні палива для відновлення, росту та утримання клітин та тканин. Це дещо формальний спосіб зазначити, що аеробне дихання підтримує еукаріотичні організми живими. Ви могли їхати багато днів без їжі і принаймні кілька без води в більшості випадків, але лише кілька хвилин без кисню.

Кисень (О) знаходиться у звичайному повітрі у його діатомічній формі, О₂. Цей елемент був виявлений в деякому сенсі в 1600-х роках, коли вченим стало очевидно, що повітря містить елемент, життєво важливий для виживання тварин, той, який може бути виснажений у закритому середовищі полум'ям або, на довший термін, - дихання.

Кисень становить близько п’ятої частини суміші газів, які ви вдихаєте. Але це не завжди було так в 4,5-мільярдної історії планети, і зміна кількості кисню в атмосфері Землі з часом передбачувано глибокий вплив на біологічну еволюцію. Для першої половини поточного життя планет було немає кисень у повітрі. До 1,7 мільярда років тому атмосфера складалася з 4 відсотків кисню, з'явилися одноклітинні організми. До 0,7 мільярда років тому, О₂ складають від 10 до 20 відсотків повітря, і з'явилися більш багатоклітинні організми. Станом на 300 мільйонів років тому вміст кисню підвищився до 35 відсотків повітря, і відповідно динозаври та інші дуже великі тварини були нормою. Пізніше частка повітря утримується O₂ впав до 15 відсотків, поки знову не піднявся туди, де він є сьогодні.

Зрозуміло, що лише відстежуючи цю закономірність, представляється надзвичайно науково вірогідною, що кінцева функція кисню полягає у тому, щоб тварини рости великими.

Гліколіз: універсальна відправна точка

10 реакцій гліколізу самі по собі не потребують кисню, а гліколіз певною мірою відбувається в усьому живому, як прокаріотичному, так і еукаріотичному. Але гліколіз є необхідним попередником специфічних аеробних реакцій клітинного дихання, і він зазвичай описується разом з ними.

Після того, як глюкоза, шестивуглецева молекула з шестикутною структурою кільця, потрапляє в цитоплазму клітин, вона одразу фосфорилюється, це означає, що в ній є фосфатна група, приєднана до одного з її вуглецю. Це ефективно захоплює молекулу глюкози всередині клітини, надаючи їй чистий негативний заряд. Потім молекулу переставляють у фосфорильовану фруктозу, не втрачаючи і не збільшуючи атомів, до того, як до молекули додають ще один фосфат. Це дестабілізує молекулу, яка потім фрагментується на пару трьох вуглецевих сполук, кожна з яких приєднана до власного фосфату. Одне з них трансформується в інше, а потім, через серію етапів, дві три вуглецеві молекули віддають свої фосфати молекулам АДФ (аденозиндифосфату), отримуючи 2 АТФ. Початкова шестивуглецева молекула глюкози закінчується двома молекулами тривуглецевої молекули під назвою піруват, а крім того, утворюються дві молекули НАДГ (детально розглянуті пізніше).

Цикл Кребса

Піруват у присутності кисню переміщується в матрицю (думаю "середину") клітинних органел, що називається мітохондріями, і перетворюється у двовуглецеву сполуку, що називається ацетил-коензимом А (ацетил CoA). У процесі утворюється молекула вуглекислого газу (СО)₂).У процесі молекули НАД⁺ (так званий високоенергетичний носій електронів) перетворюється на НАДН.

Цикл Кребса, який також називають циклом лимонної кислоти або циклом трикарбонової кислоти, називається циклом, а не реакцією, тому що один із його продуктів, чотири вуглецева молекула оксалоацетат, знову вступає в початок циклу шляхом поєднання з молекула ацетилу CoA. Це призводить до отримання шестивуглецевої молекули під назвою цитрат. Ця молекула маніпулює рядом ферментів у п’ятивуглецеву сполуку, яку називають альфа-кетоглутарат, яка потім втрачає інший вуглець, отримуючи сукцинат. Кожен раз, коли втрачається вуглець, він складається у вигляді СО₂і оскільки ці реакції є енергетично сприятливими, кожна втрата вуглекислого газу супроводжується перетворенням іншого НАД⁺ до НАД. Утворення сукцинату також створює молекулу АТФ.

Сукцинат перетворюється на фумарат, утворюючи одну молекулу FADH₂ від FAD²⁺ (носій електронів, подібний до НАД⁺ у функції). Це перетворюється в малат, отримуючи інший НАДН, який потім трансформується в оксалоацетат.

Якщо ви будете вести рахунок, ви можете нарахувати 3 NADH, 1 FADH₂ та 1 АТФ за оборот циклу Кребса. Але майте на увазі, що кожна молекула глюкози постачає дві молекули ацетилу CoA для вступу в цикл, тому загальна кількість синтезованих цих молекул становить 6 НАДГ, 2 ФАДХ₂ та 2 АТФ. Цикл Кребса, таким чином, не генерує багато енергії безпосередньо - лише 2 АТФ на молекулу глюкози, що надходить вгору за течією, - і кисню теж не потрібно. Але НАДГ і ФАД₂ мають критичне значення для окисне фосфорилювання кроки в наступній серії реакцій, спільно названих ланцюгом транспорту електронів.

Електронна транспортна ланцюг

Різні молекули NADH та FADH₂ створені на попередніх етапах клітинного дихання готові до вживання в електронно-транспортний ланцюг, який виникає в складках внутрішньої мітохондріальної мембрани, що називається cristae. Якщо коротко, високоенергетичні електрони приєднані до НАД⁺ і FAD²⁺ використовуються для створення протонного градієнта по мембрані. Це просто означає, що спостерігається більш висока концентрація протонів (Н⁺ іони) на одній стороні мембрани, ніж на іншій стороні, створюючи поштовх для цих іонів протікати з областей вищої концентрації протона до областей нижчої концентрації протонів. Таким чином, протони поводяться трохи інакше, ніж, скажімо, вода, яка "хоче" перейти з області більш високої висоти в область нижчої концентрації - тут під впливом сили тяжіння замість так званого хіміосмотичного градієнта, що спостерігається в електронний транспортний ланцюг.

Подібно до турбіни на гідроелектростанції, що використовує енергію проточної води для роботи в іншому місці (у цьому випадку виробляють електроенергію), частина енергії, встановленої градієнтом протона через мембрану, захоплюється для приєднання вільних фосфатних груп (P) до АДФ молекули для генерування АТФ, процесу, який називають фосфорилюванням (і в цьому випадку окислювальним фосфорилюванням). Насправді, це відбувається знову і знову в ланцюзі транспорту електронів, поки всі НАДН і ФАДХ₂ з гліколізу та циклу Кребса - близько 10 першого та двох останніх - використовується. Це призводить до створення близько 34 молекул АТФ на одну молекулу глюкози. Оскільки гліколіз та цикл Кребса приносять 2 АТФ на молекулу глюкози, загальна кількість, якщо енергія, що виділяється, принаймні за ідеальних умов, становить 34 + 2 + 2 = 38 АТФ усього.

У ланцюзі транспорту електронів є три різні точки, в яких протони можуть перетинати внутрішню мітохондріальну мембрану, щоб увійти в простір між цією пізнішою і зовнішньою мітохондріальною мембраною, і чотири чіткі молекулярні комплекси (пронумеровані I, II, III і IV), що утворюють фізичні опорні точки ланцюга.

Електронний ланцюг транспорту потребує кисню, оскільки О₂ служить кінцевим акцептором електронної пари в ланцюзі. Якщо кисню немає, реакції в ланцюзі швидко припиняються, оскільки припиняється потік електронів "вниз за течією"; їм нікуди діватися. Серед речовин, які можуть паралізувати ланцюг транспорту електронів, є ціанід (CN^-). Ось чому ви, можливо, бачили ціанід, який використовується як смертоносна отрута в шоу про вбивства або шпигунські фільми; коли його вводять у достатніх дозах, аеробне дихання всередині реципієнта припиняється, а разом з ним і саме життя.

Фотосинтез та аеробне дихання в рослинах

Часто передбачається, що рослини піддаються фотосинтезу для створення кисню з вуглекислого газу, тоді як тварини використовують дихання для отримання двоокису вуглецю з кисню, тим самим допомагаючи зберегти акуратний взаємодоповнюючий баланс для всієї екосистеми. Хоча це правда на поверхні, це вводить в оману, оскільки рослини використовують як фотосинтез, так і аеробне дихання.

Оскільки рослини не можуть їсти, вони повинні їсти, а не приймати їжу. Саме для цього потрібен фотосинтез, серія реакцій, яка відбувається у органел тварин, яких не називають хлоропластами. Працює від сонячного світла, CO₂ всередині рослини клітина збирається в глюкозу всередині хлоропластів у кілька етапів, що нагадують ланцюг транспорту електронів у мітохондріях. Потім глюкоза вивільняється з хлоропласту; більшість, якщо вона стає структурною частиною рослини, але деякі піддаються гліколізу, а потім проходять через решту аеробного дихання після потрапляння в мітохондрії рослинної клітини.