Vilken funktion har aerob respiration?

Innehåll

• Kemisk sammanfattning av aerob andning
• Origins eller aerob respiration of Earth
• Glykolys: En universell utgångspunkt
• Krebs-cykeln
• Elektrontransportkedjan
• Fotosyntes och aerob andning i växter

Aerob andning, en term som ofta används utbytbart med "cellulär andning", är ett fantastiskt sätt med hög avkastning för levande saker att utvinna energi lagrad i de kemiska bindningarna av kolföreningar i närvaro av syre, och lägga denna extraherade energi att använda i metabola processer. Eukaryota organismer (dvs djur, växter och svampar) använder alla aerob andning, främst tack vare närvaron av cellulära organeller som kallas mitokondrier. Några prokaryotiska organismer (dvs bakterier) använder sig av mer rudimentära aerobiska andningsvägar, men i allmänhet, när du ser "aerob andning", bör du tänka "multicellulär eukaryot organisme."

Men det är inte allt som borde hoppa in i ditt sinne. Följande berättar allt du behöver veta om de grundläggande kemiska vägarna för aerob andning, varför det är en så viktig reaktion och hur det hela kom igång under den biologiska och geologiska historien.

Kemisk sammanfattning av aerob andning

All cellulär näringsämnesomsättning börjar med glukosmolekyler. Detta sexkoliga socker kan härledas från livsmedel i alla tre klasser av makronäringsämnen (kolhydrater, proteiner och fetter), även om glukos i sig är ett enkelt kolhydrat. I närvaro av syre transformeras glukos och bryts ned i en kedja med cirka 20 reaktioner för att producera koldioxid, vatten, värme och 36 eller 38 molekyler av adenosintrifosfat (ATP), den molekyl som oftast används av celler i alla levande saker som en direkt källa till bränsle. Variationen i mängden ATP som produceras genom aerob andning återspeglar det faktum att växtceller ibland pressar 38 ATP från en glukosmolekyl, medan djurceller genererar 36 ATP per glukosmolekyl. Denna ATP kommer från att kombinera fria fosfatmolekyler (P) och adenosindifosfat (ADP), med nästan allt detta som sker i de senare stadierna av aerob andning i reaktionerna i elektrontransportkedjan.

Den kompletta kemiska reaktionen som beskriver aerob andning är:

C₆H₁₂O₆ + 36 (eller 38) ADP + 36 (eller 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 420 kcal + 36 (eller 38) ATP.

Medan själva reaktionen verkar tillräckligt enkel i den här formen, tror den mängden steg som den tar för att komma från den vänstra sidan av ekvationen (reaktanterna) till höger sida (produkterna, inklusive 420 kilokalorier frigjord värme ). I enlighet med konventionen är hela reaktionssamlingen uppdelad i tre delar baserat på var var och en sker: glykolys (cytoplasma), Krebs-cykeln (mitokondriell matris) och elektrontransportkedjan (inre mitokondriell membran). Innan man undersöker dessa processer i detalj är det dock i ordning att titta på hur aerob andning började på jorden.

Origins eller aerob respiration of Earth

Funktionen med aerob andning är att tillhandahålla bränsle för reparation, tillväxt och underhåll av celler och vävnader. Detta är ett något formellt sätt att notera att aerob andning håller levande eukaryota organismer. Du kan gå många dagar utan mat och åtminstone några utan vatten i de flesta fall, men bara några minuter utan syre.

Syre (O) finns i normal luft i dess diatomiska form, O₂. Detta element upptäcktes, på något sätt, på 1600-talet, då det visade sig för forskare att luft innehöll ett element som var viktigt för djurens överlevnad, ett som kunde tappas i en stängd miljö genom låga eller på längre sikt av andas.

Syre utgör ungefär en femtedel av blandningen av gaser du andas in. Men det var inte alltid så här i planeten på 4,5 miljarder år, och förändringen i mängden syre i jordens atmosfär över tid har förutsägbart djupa effekter på biologisk evolution. För den första halvan av planets nuvarande livslängd fanns det Nej syre i luften. För 1,7 miljarder år sedan bestod atmosfären av 4 procent syre, och encelliga organismer hade dykt upp. För 0,7 miljarder år sedan O₂ utgör mellan 10 och 20 procent av luften, och större, flercelliga organismer hade dykt upp. Från för 300 miljoner år sedan hade syreinnehållet stigit till 35 procent av luften, och motsvarande, dinosaurier och andra mycket stora djur var normen. Senare kommer andelen luft som innehas av O₂ sjönk till 15 procent tills den återigen steg där den är idag.

Det är tydligt genom att spåra detta mönster enbart som verkar ytterst vetenskapligt troligt att oxygens ultimata funktion är att få djur att växa stora.

Glykolys: En universell utgångspunkt

De 10 reaktionerna av glykolys kräver inte själva syre för att fortsätta, och glykolys inträffar i viss utsträckning i alla levande saker, både prokaryota och eukaryota. Men glykolys är en nödvändig föregångare för de specifika aeroba reaktionerna i cellulär andning, och den beskrivs normalt tillsammans med dessa.

När glukos, en sexkolfmolekyl med en hexagonal ringstruktur, kommer in i en cellcytoplasma, fosforyleras den omedelbart, vilket betyder att den har en fosfatgrupp fäst vid ett av dess kol. Detta fångar effektivt glukosmolekylen inuti cellen genom att ge den en negativ negativ laddning. Molekylen omorganiseras sedan till fosforylerad fruktos, utan förlust eller förstärkning av atomer, innan ytterligare ett fosfat tillsätts till molekylen. Detta destabiliserar molekylen, som sedan fragmenterar i ett par tre-kolföreningar, var och en med sin egen fosfat fäst. En av dessa omvandlas till den andra, och sedan, i en serie steg, avger de två tre-kolmolekylerna sina fosfater till ADP-molekyler (adenosindifosfat) för att ge 2 ATP. Den ursprungliga sexkolflukosmolekylen lindras upp som två molekyler i en tre-kolmolekyl som kallas pyruvat, och dessutom genereras två molekyler av NADH (diskuteras i detalj senare).

Krebs-cykeln

Pyruvat, i närvaro av syre, rör sig in i matrisen (tänk "mitt") av cellulära organeller som kallas mitokondrier och omvandlas till en tvåkolförening, kallad acetylkoenzym A (acetyl CoA). I processen kommer en molekyl av koldioxid (CO₂).I processen en molekyl av NAD⁺ (en så kallad högenergi-elektronbärare) omvandlas till NADH.

Krebs-cykeln, även kallad citronsyracykeln eller trikarboxylsyracykeln, kallas en cykel snarare än en reaktion eftersom en av dess produkter, fyra-kolmolekylen oxaloacetat, åter går in i början av cykeln genom att kombinera med en molekyl av acetyl CoA. Detta resulterar i en sexkolfmolekyl som kallas citrat. Denna molekyl manipuleras av en serie enzymer i en femkolförening som kallas alfa-ketoglutarat, som sedan förlorar ytterligare ett kol för att ge succinat. Varje gång ett kol förloras är det i form av CO₂och eftersom dessa reaktioner är energiskt fördelaktiga åtföljs varje koldioxidförlust av omvandlingen av en annan NAD⁺ till NAD. Bildningen av succinat skapar också en molekyl av ATP.

Succinat omvandlas till fumarat och alstrar en molekyl FADH₂ från FAD²⁺ (en elektronbärare som liknar NAD⁺ i funktion). Detta omvandlas till malat, vilket ger en annan NADH, som sedan omvandlas till oxaloacetat.

Om du håller poäng kan du räkna 3 NADH, 1 FADH₂ och 1 ATP per varv av Krebs-cykeln. Men kom ihåg att varje glukosmolekyl levererar två molekyler av acetyl CoA för inträde i cykeln, så det totala antalet av dessa syntetiserade molekyler är 6 NADH, 2 FADH₂ och 2 ATP. Krebs-cykeln genererar således inte mycket energi direkt - bara 2 ATP per molekyl glukos som tillförs uppströms - och inget syre behövs heller. Men NADH och FADH₂ är kritiska för oxidativ fosforylering steg i nästa reaktionsserie, kollektivt kallad elektrontransportkedjan.

Elektrontransportkedjan

De olika molekylerna i NADH och FADH₂ skapade i de föregående stegen av cellulär andning är redo att tas i bruk i elektrontransportkedjan, som förekommer i veck i det inre mitokondriella membranet som kallas cristae. I korthet de högenergielektroner som är anslutna till NAD⁺ och FAD²⁺ används för att skapa en protongradient över membranet. Detta betyder bara att det finns en högre koncentration av protoner (H⁺ joner) på ena sidan av membranet än på den andra sidan, vilket skapar en drivkraft för att dessa joner flyter från områden med högre protonkoncentration till områden med lägre protonkoncentration. På detta sätt uppträder protoner lite annorlunda än, till exempel, vatten som "vill" flytta från ett område med högre höjd till ett område med lägre koncentration - här, under påverkan av tyngdkraft istället för den så kallade kemiosmotiska gradienten som observerats i elektron transport kedja.

Liksom en turbin vid en vattenkraftverk som utnyttjar energin från strömmande vatten för att göra arbete någon annanstans (i så fall generera elektricitet), fångas en del av den energi som fastställts av protongradienten över membranet för att fästa fria fosfatgrupper (P) till ADP molekyler för att generera ATP, en process som kallas fosforylering (och i detta fall oxidativ fosforylering). I själva verket händer detta om och om igen i elektrontransportkedjan, tills alla NADH och FADH₂ från glykolys och Krebs-cykeln - cirka 10 av den förstnämnda och två av den senare - används. Detta resulterar i skapandet av cirka 34 molekyler ATP per glukosmolekyl. Eftersom glykolys och Krebs-cykeln vardera ger 2 ATP per glukosmolekyl, är den totala mängden om energi som frigörs, åtminstone under ideala förhållanden, 34 + 2 + 2 = 38 ATP totalt.

Det finns tre olika punkter i elektrontransportkedjan vid vilken protoner kan korsa det inre mitokondriella membranet för att komma in i utrymmet mellan detta senare och det yttre mitokondriella membranet, och fyra distinkta molekylkomplex (numrerade I, II, III och IV) som bildar kedjans fysiska förankringspunkter.

Elektrontransportkedjan kräver syre eftersom O₂ fungerar som den sista elektronparacceptorn i kedjan. Om inget syre finns, upphör reaktionerna i kedjan snabbt eftersom det "nedströms" flödet av elektroner upphör; de har ingenstans att gå. Bland de ämnen som kan förlama elektrontransportkedjan är cyanid (CN^-). Det är därför du kanske har sett cyanid som ett dödligt gift i mordspel eller spionfilmer; när den administreras i tillräckliga doser, stoppar aerob andning i mottagaren och därmed livet självt.

Fotosyntes och aerob andning i växter

Det antas ofta att växter genomgår fotosyntes för att skapa syre från koldioxid, medan djur använder andning för att generera koldioxid från syre och därigenom hjälper till att bevara en snygg ekosystemomfattande, komplementär balans. Även om detta är sant på ytan, är det vilseledande, eftersom växter använder både fotosyntes och aerob andning.

Eftersom växter inte kan äta, måste de göra, snarare än intag, sin mat. Detta är vad fotosyntesen, en serie reaktioner som äger rum i organelldjur som saknas kallad klorplaster, är för. Drivs av solljus, CO₂ inuti växtcellen samlas till glukos inuti kloroplaster i en serie steg som liknar elektrontransportkedjan i mitokondrier. Glukosen frisätts sedan från kloroplasten; mest om det blir en strukturell del av växten, men vissa genomgår glykolys och fortsätter sedan genom resten av aerob andning efter att de har kommit in i mitocondrierna i växtcellen.