Cellular Respiration: Definition, ligning & trin

Filosofen Bertrand Russell sagde: "Enhver levende ting er en slags imperialist, der søger at omdanne så meget som muligt af sit miljø til sig selv." Metaforer til side, cellulær respiration er den formelle måde, hvorpå levende ting i sidste ende gør dette. Cellulær åndedræt tager stoffer, der opsamles fra det ydre miljø (luft- og kulstofkilder) og omdanner dem til energi til opbygning af flere celler og væv og til udførelse af livsforsikrende aktiviteter. Det genererer også affaldsprodukter og vand. Dette må ikke forveksles med "åndedræt" i hverdagen, hvilket normalt betyder det samme som "vejrtrækning". Åndedræt er, hvordan organismer erhverver ilt, men dette er ikke det samme som at forarbejde ilt, og vejrtrækning kan ikke levere det kulstof, der også er nødvendigt til respiration; diæt tager sig af dette, i det mindste hos dyr.

Cellulær åndedræt forekommer i både planter og dyr, men ikke i prokaryoter (f.eks. bakterier), der mangler mitokondrier og andre organeller og dermed ikke kan bruge ilt, begrænser dem til glykolyse som en energikilde. Planter er måske mere almindeligt forbundet med fotosyntesen end med respiration, men fotosyntesen er kilden til ilt til plantecelle respiration samt en kilde til ilt, der kommer ud af planten, der kan bruges af dyr. Det ultimative biprodukt i begge tilfælde er ATP eller adenosintriphosphat, det primære kemiske energibærer i levende ting.
Ligningen for cellulær respiration -

Cellulær respiration, ofte kaldet aerob respiration, er den komplette opdeling af glukosemolekylet i nærvær af ilt for at give kuldioxid og vand:

C _{6H 12O 6 + 6O 2 + 38 ADP +38 P -> 6CO 2 + 6H 2O + 38 ATP + 420 Kcal}

Denne ligning har en oxidationskomponent (C _{6H 12O 6 -> 6CO 2) , i det væsentlige en fjernelse af elektroner i form af hydrogenatomer. Det har også en reduktionskomponent, 6O 2 -> 6H 2O, som er tilføjelsen af elektroner i form af brint.}

Hvad ligningen som helhed oversætter til er at energien indeholdt i de kemiske bindinger af reaktanterne bruges til at forbinde adenosindiphosphat (ADP) til frie fosforatomer (P) til at generere adenosintrifosfat (ATP).

Processen som helhed involverer flere trin: Glykolyse finder sted i cytoplasma, efterfulgt af Krebs-cyklus og elektrontransportkæden i henholdsvis mitochondrial matrix og på mitokondriell membran.
Processen med glykolyse

Det første trin i nedbrydningen af glukose i både planter og dyr er en serie af 10 reaktioner kendt som glykolyse. Glukose kommer ind i dyreceller udefra via fødevarer, der nedbrydes i glukosemolekyler, der cirkulerer i blodet og optages af væv, hvor energi er mest nødvendigt (inklusive hjernen). Planter derimod syntetiserer glukose fra indtagelse af kuldioxid udefra og bruger fotosyntesen til at omdanne CO _{2 til glukose. På dette tidspunkt, uanset hvordan det kom der, er hvert molekyle af glukose forpligtet til den samme skæbne.}

Tidligt i glycolyse fosforyleres seks-carbon-molekylet for at fælde det inde i cellen; fosfater er negativt ladede og kan derfor ikke glide gennem cellemembranen som ikke-polære, uladede molekyler nogle gange kan. Et andet phosphatmolekyle tilsættes, hvilket gør molekylet ustabilt, og det spaltes snart i to ikke-identiske tre-carbonforbindelser. Disse antager snart den kom kemiske form og bliver omarrangeret i en række trin for i sidste ende at give to molekyler af pyruvat. Undervejs forbruges to molekyler af ATP (de forsyner de to fosfater, der tidligt er føjet til glukose), og fire produceres, to ved hver tre-carbon-proces, for at give et netto af to ATP-molekyler pr. Molekyle glukose.

Hos bakterier er glycolyse alene tilstrækkelig til celle - og dermed hele organismen - energi behov. Men i planter og dyr er det ikke tilfældet, og med pyruvat er glukosens endelige skæbne næsten begyndt. Det skal bemærkes, at glycolyse i sig selv ikke kræver ilt, men ilt er generelt inkluderet i diskussioner om aerob respiration og dermed cellulær respiration, fordi det er nødvendigt at syntetisere pyruvat.
Mitochondria vs. chloroplasts.

En almindelig misforståelse blandt biologientusiaster er, at kloroplaster tjener den samme funktion i planter, som mitokondrier udfører hos dyr, og at hver type organisme kun har den ene eller den anden. Dette er ikke tilfældet. Planter har både kloroplaster og mitokondrier, mens dyr kun har mitokondrier. Planter bruger kloroplaster som generatorer - de bruger en lille kulstofkilde (CO _{2) til at opbygge en større en (glukose). Dyreceller får deres glukose ved at nedbryde makromolekyler som kulhydrater, proteiner og fedt, og behøver derfor ikke at skabe glukose indefra. Dette kan forekomme underligt og ineffektivt i tilfælde af planter, men planter har udviklet en funktion, som dyr ikke har: evnen til at udnytte sollys til direkte brug i metaboliske funktioner. Dette tillader planter bogstaveligt at fremstille deres egen mad.}

Mitokondrier antages at have været en slags fritstående bakterier for mange hundrede millioner år siden, en teori understøttet af deres bemærkelsesværdige strukturelle lighed med bakterier såvel som bakterier deres metaboliske maskiner og tilstedeværelsen af deres eget DNA og organeller kaldet ribosomer. Eukaryoter blev først til for over en milliard år siden, da en celle formåede at indhylle en anden (endosymbiont-hypotesen), hvilket førte til et arrangement, der var meget gavnligt for enguleren i dette arrangement på grund af udvidede energiproducerende evner. Mitochondria består af en dobbelt plasmamembran som celler i sig selv; den indre membran inkluderer folder, der kaldes cristae. Den indre del af mitokondrier er kendt som matrixen og er analog med cytoplasmaet i hele celler.

Chloroplaster, ligesom mitokondrier, har ydre og indre membraner og deres eget DNA. Inde i det rum, der er lukket af en indre membran, ligger et udvalg af sammenkoblede, lagdelte og væskefyldte membranposer kaldet thylakoider. Hver "stabel" af thylakoider danner et granum (flertal: grana). Væsken i den indre membran, der omgiver grana, kaldes stroma.

Chloroplaster indeholder et pigment kaldet klorofyll, som begge giver planter deres grønne farve og fungerer som en solfanger til fotosyntesen. Ligningen for fotosyntesen er nøjagtigt den modsatte af cellulær respiration, men de individuelle trin for at komme fra kuldioxid til glukose på ingen måde ligner de modsatte reaktioner fra elektrontransportkæden, Krebs-cyklus og glykolyse.
The Krebs Cycle

I denne proces, også kaldet tricarboxylsyre (TCA) eller citronsyrecyklus, omdannes pyruvatmolekyler først til to-carbon molekyler kaldet acetylcoenzym A (acetyl CoA). Dette frigiver et molekyle med CO _{2. Acetyl CoA-molekyler trænger derefter ind i den mitochondriale matrix, hvor hver af dem kombineres med et fire-carbon molekyle af oxaloacetat til dannelse af citronsyre. Så hvis du foretager omhyggelig bogføring, resulterer et molekyle glukose i to molekyler af citronsyre i begyndelsen af Krebs-cyklussen.}

Citronsyre, et seks-carbon-molekyle, omorganiseres til isocitrat og derefter et carbonatom strippes væk for at danne ketoglutarat med en CO <2 der forlader cyklussen. Ketoglutarat bliver på sin side strippet for et andet carbonatom, hvilket genererer et andet CO 2 og succinerer og danner også et molekyle af ATP. Derfra transformeres det fire-carbonsuccinatmolekyle sekventielt til fumarat, malat og oxaloacetat. Disse reaktioner ser hydrogenioner fjernet fra disse molekyler og klæbes på højenergi-elektronbærere NAD + og FAD + for at danne henholdsvis NADH og FADH _{2, som i det væsentlige er energi "skabelse" i forklædning, som du snart vil se. I slutningen af Krebs-cyklussen har det originale glukosemolekyle givet anledning til 10 NADH og to FADH 2-molekyler.}

Reaktionerne fra Krebs-cyklussen producerer kun to molekyler af ATP pr. Oprindeligt glukosemolekyle, en for hver "tur" i cyklussen. Dette betyder, at ud over de to ATP, der er produceret i glykolyse, efter Krebs-cyklussen, er resultatet i alt fire ATP. Men de reelle resultater af aerob respiration er endnu ikke udfoldet på dette tidspunkt.
Elektrontransportkæden

Elektrontransportkæden, der forekommer på cristae i den indre mitokondrielle membran, er det første trin i cellulær respiration, der eksplicit afhænger af ilt. NADH og FADH _{2 produceret i Krebs-cyklussen er nu klar til at bidrage til energifrigivelse på en vigtig måde.}

Sådan sker det, at brintionerne, der er gemt på disse elektronbærermolekyler (et brint ion kan til nuværende formål betragtes som et elektronpar med hensyn til dets bidrag til denne del af respiration) bruges til at skabe en kemiosmotisk gradient. Du har måske hørt om en koncentrationsgradient, hvor molekyler strømmer fra regioner med højere koncentration til områder med lavere koncentration, som en terning sukker, der opløses i vand, og sukkerpartiklerne bliver spredt overalt. I en kemiosmotisk gradient afvikles imidlertid elektronerne fra NADH og FADH _{2 og føres sammen med proteiner indlejret i membranen og tjener som elektronoverføringssystemer. Den energi, der frigøres i denne proces, bruges til at pumpe brintioner over membranen og skabe en koncentrationsgradient over den. Dette fører til en netto strømning af brintatomer i en retning, og denne strøm bruges til at drive et enzym kaldet ATP-syntase, der gør ATP fra ADP og P. Tænk på elektrontransportkæden som noget, der lægger en stor vægt vand bag et vandhjul, hvis efterfølgende rotation bruges til at opbygge ting.}

Dette er ikke tilfældigtvis den samme proces, der bruges i kloroplaster til at fremkalde glukosesyntese. Energikilden til at skabe en gradient over chloroplastmembranen er i dette tilfælde ikke NADH og FADH _{2, men sollys. Den efterfølgende strøm af brintioner i retning af lavere H + -ionskoncentration bruges til at drive syntesen af større carbonmolekyler fra mindre, startende med CO 2 og slutte med C 6H 12O 6.}

Energien, der strømmer fra den kemiosmotiske gradient, bruges til at drive ikke kun ATP-produktion, men også andre vigtige cellulære processer, såsom proteinsyntese. Hvis elektrontransportkæden afbrydes (som ved langvarig iltmangel), kan denne protongradient ikke opretholdes, og cellulær energiproduktion stopper, ligesom et vandhjul holder op med at flyde, når vandet omkring det ikke længere har en trykstrømningsgradient.

Fordi hvert NADH-molekyle eksperimentelt har vist sig at producere ca. tre molekyler af ATP, og hver FADH _{2 producerer to molekyler af ATP, er den samlede energi frigivet ved elektrontransportkædereaktionen (med henvisning til forrige afsnit) 10 gange 3 (for NADH) plus 2 gange 2 (for FADH 2) for i alt 34 ATP. Føj dette til 2 ATP fra glykolyse og 2 fra Krebs-cyklus, og det er her 38 ATP-tal i ligningen for aerob respiration kommer fra.}