Информация

13.2: Аеробно клетъчно дишане - Биология

13.2: Аеробно клетъчно дишане - Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Цели на обучението

  • Идентифицирайте реагентите и продуктите от аеробно клетъчно дишане.
  • Обяснете всяка стъпка от аеробното клетъчно дишане и къде в клетката се случва.

Не само растенията произвеждат захари чрез фотосинтеза, но също така разграждат тези захари, за да генерират използваема енергия под формата на АТФ чрез аеробно клетъчно дишане. Глюкозата започва своето разграждане извън митохондриите по метаболитен път, наречен гликолиза. По -голямата част от реакциите, които произвеждат АТФ, се случват в митохондриите (в еукариотни клетки; Фигура ( PageIndex {1} )). По време на тези реакции се създават носители на електрони и кислородът дърпа електроните през електронна транспортна верига, за да създаде АТФ, който захранва клетъчната активност. Кислородът, който вдишвате, се комбинира с електрони, за да образува вода, която издишвате. Въглеродният диоксид, който издишвате, идва от въглерода в глюкозата, който тялото ви метаболизира.

Фигура (PageIndex{1}): Митохондриите са фабриките за преобразуване на енергия на клетката. Митохондрията се състои от две отделни липидни двуслойни мембрани. Гънките на вътрешната мембрана се наричат ​​кристи, а пространството между мембраните е междумембранното пространство. Матрицата е в центъра. По протежение на вътрешната мембрана има различни молекули, които работят заедно за производството на АТФ, основната енергийна валута на клетката. Изображение (с ново означение) и надпис (модифициран) от OpenStax (CC-BY). Достъп безплатен на openstax.org.

Ето нетна реакция за клетъчно дишане:

( ce {C_6H_ {12} O_6 + 6O_2 rightarrow6CO_2 + 6H_2O + ATP} )

глюкоза + кислород (ce{ ightarrow}) въглероден диоксид + вода + енергия

Стъпка 1: Гликолиза

Когато глюкозата се транспортира в цитоплазмата на клетките, тя се разгражда на две молекули пируват (Фигура (PageIndex{2})). Този процес се нарича гликолиза (глико- за глюкоза и -лизис, което означава разпадане). Гликолизата включва координирано действие на много различни ензими. Тъй като тези ензими започват да разграждат молекулата на глюкозата, е необходимо първоначално въвеждане на енергия. Тази първоначална енергия се дарява от молекули на АТФ.

Фигура ( PageIndex {2} ): При гликолизата глюкозата (представена от пръстен от шест въглерода) се превръща в фруктоза-1,6-бисфосфат (маркиран с фруктоза дифосфат). Това изразходва 2 ATP, освобождавайки 2 ADP. Фруктоза-1,6-бисфосфат се разделя на две молекули глицералдехид-3-фосфат. Всеки от тях е представен от верига от три въглерода, свързани с фосфат (Pi). Фосфатът се отстранява от всяка от двете молекули глицералдехид-3-фосфат, произвеждайки 2 пирувата, 2 NADH и 4 АТФ. Като цяло гликолизата консумира 2 ATP, но след това генерира 4 ATP и 2 NADH. Изображение от OpenStax (CC-BY). Достъп безплатно на openstax.org.

Въпреки че две молекули АТФ се използват за стартиране на гликолизата, по време на реакцията се произвеждат още четири молекули АТФ, което води до нетното производство на два АТФ на молекула глюкоза. В допълнение към АТФ, две молекули на никотинамид аденин динуклеотид (НАД+) се редуцират до форма NADH (Фигура ( PageIndex {3} )). Когато NAD+ се редуцира до NADH, към него се добавят два високоенергийни електрона, получени от скъсване на връзките на глюкозата. Един от тези отрицателно заредени електрони е балансиран от положителния заряд (+) на NAD+. Другият се балансира чрез добавяне на протон (H+) към молекулата.

Стъпка 2: Окисление на пируват

Ако има кислород, аеробното клетъчно дишане може да продължи. Двете молекули пируват се транспортират в матрикса на митохондриона. По време на транспортирането всеки пируват се превръща в 2-въглеродна молекула, наречена ацетил- ( ce {CoA} ). Другият въглероден атом от всяка пируватна молекула излиза от клетката като ( ce {CO2} ). Електроните от тази скъсана връзка се улавят от друга молекула НАД+, намалявайки го до NADH. Тъй като по време на гликолизата от всяка глюкозна молекула се произвеждат две молекули пируват, по време на окислението на пируват се произвеждат две молекули ацетил CoA (по една от всеки пируват) (Фигура ( PageIndex {4} )).

Стъпка 3: Цикълът на лимонената киселина (Кребс)

Двете ацетил-(ce{CoA}) молекули влизат в цикъл, който, подобно на гликолизата, включва действието на много различни ензими за освобождаване на енергия и транспортирането й в молекули, носещи енергия, включително 2 ATP, 6 NADH и 2 (ce{FADH2}), друг електронен носител (фигура (PageIndex{4})). Този цикъл се осъществява в матрицата на митохондрията.

Фигура (PageIndex{4}): Комбиниран изглед на окислението на пируват и цикъла на лимонената киселина. По време на окисляването на пируват, пиурват/пирувинова киселина (три въглерода) се превръща в ацетил CoA (два въглерода). В този процес се отделя една молекула въглероден диоксид и една молекула NAD+ се редуцира до NADH. В цикъла на лимонената киселина ацетил CoA се разпада на две молекули въглероден диоксид. Този процес освобождава 2 NADH, 1 FADH2, и 1 АТФ на пируват, и двойно на глюкоза. Изображение от OpenStax (CC-BY). Достъп безплатно на openstax.org.

Стъпка 4: Окислително фосфорилиране

Този етап на клетъчното дишане има две стъпки. По време на електрон транспортна верига, нашите електронни носители захранват поредица от протонни помпи, които преместват ( ce {H+} ) йони от митохондриалната матрица в пространството между вътрешната и външната митохондриални мембрани. По време на хемиосмоза, ензим, наречен АТФ синтаза, позволява на протоните да се вливат обратно в митохондриалната матрица, използвайки физическия поток на протоните, за да превърнат АДФ в АТФ.

Транспортната верига на електроните

NADH и ( ce {FADH2} ) изпускат електроните си в протеинов комплекс в рамките на вътрешна митохондриална мембрана. Това ефективно "включва" този протеинов комплекс, който изпомпва (ce{H+}) от митохондриалния матрикс към междумембранно пространство. След това електроните се предават по линия от протеинови комплекси, подобно на ток от електричество, захранващи тези комплекси към всяка помпа a ( ce {H+} ) от матрицата в междумембранното пространство. Това е подходящо наречена електронна транспортна верига (Фигура (PageIndex{5})).

В края на електронната транспортна верига трябва да се вземат електроните с ниска енергия, за да се освободи място за повече електрони. Кислородният атом улавя два електрона и, за да балансира заряда, два (ce{H+}) от матрицата, образувайки водна молекула ((ce{H2O})). При клетъчното дишане кислородът е терминален електронен акцептор, тъй като той улавя електроните в края (края) на електронно -транспортната верига. Тази работа е толкова важна, че, както видяхте по-горе, ако няма кислород, тази част от клетъчното дишане няма да се случи.

Химиосмоза

Защо протеиновите комплекси изпомпват (ce{H+}) в междумембранното пространство? Междумембранното пространство е сравнително малко. С добавянето на още ( ce {H+} ) към тази област, междумембранното пространство става все по -положително заредено, докато матрицата става все по -отрицателно заредена. Това е подобно на начина, по който батерията съхранява енергия-чрез създаване на електрохимичен градиент. Положителните заряди се отблъскват един друг и биха „предпочитали“ да бъдат балансирани от двете страни на мембраната. Те обаче не могат директно да преминат през мембраната. Въпреки че са малки, ( ce {H+} ) йони носят пълен заряд, което ги прави твърде полярни, за да преминат през неполярните опашки на фосфолипидния двуслой, който съставя митохондриалните мембрани.

Ензим, наречен АТФ синтаза позволява на (ce{H+}) да се премести обратно в матрицата. Този ензим е структуриран подобно на водно колело или турбина - потокът от протони през ензима го завърта физически, превръщайки потенциалната енергия, съхранявана в електрохимичния градиент, в кинетична енергия (движение)! Тази кинетична енергия се използва, за да принуди друга фосфатна група към ADP, превръщайки кинетичната енергия обратно в химическа енергия, която се съхранява в връзките на ATP


Аеробно клетъчно дишане: 3 важни етапа на аеробно дишане | Биология

Някои от важните етапи на аеробното дишане са както следва:

(а) Гликолиза (б) Цикъл на Кребс (в) Електронна транспортна верига.

Аеробното дишане е процесът, при който енергията от глюкозата се освобождава в присъствието на кислород. То се осъществява само ако има наличен кислород.

Например, ако глюкозата се окисли, резултатът ще бъде енергия, въглероден диоксид и вода. Разгледайте химическата формула, дадена по -долу.

С прости думи, глюкоза + кислород = въглероден диоксид + вода + енергия (АТФ)

Накратко, аеробното дишане помага за освобождаването на максимална енергия и също така се отървава от въглеродния диоксид и излишната вода.

Има три етапа на аеробно дишане, както е дадено по -долу:

А) Гликолиза:

Гликолизата протича в цитозола на клетката, където глюкозата се окислява частично и се разгражда на 3 частни въглеродни молекули. Този процес на гликолиза произвежда енергия – 2 ATP молекули и 2 NADH (никотинамид аденин динуклеотид) молекули. Всяка молекула NADH носи 2 енергийни електрона. По-късно клетките използват тези електрони.

Б) цикъл на Кребс:

Това е следващият етап на аеробното клетъчно дишане. В цикъла на Кребс частните молекули се обработват, за да освободят енергията, която се съхранява между техните молекулни връзки. Енергията се отделя под формата на АТФ. Този цикъл се нарича още цикъл на лимонена киселина.

В) Електронна транспортна верига:

Това е последният етап на аеробното клетъчно дишане. Цялата енергия не се освобождава от глюкозата по време на гликолизата и цикъла на Кребс. В този етап на аеробно дишане остатъчната енергия от глюкозата ще бъде освободена от електронната транспортна верига. Мрежата от електрони, носещи протеини към вътрешната мембрана на клетката, е известна като електронна транспортна верига.

В крайна сметка на този етап електроните заедно с протоните ще бъдат добавени към кислорода. Когато електроните и протоните се добавят към кислорода, той произвежда вода, а не АТФ (енергия). Всъщност, когато протоните се преместват през клетъчната мембрана, се произвежда АТФ. Този процес се нарича хемиоза.


Ферментация

Оме важният начин за производство на АТФ без кислород е ферментация. Ферментацията започва с гликолиза, която не се нуждае от кислород, но не включва последните два етапа на аеробно клетъчно дишане (цикъл на Кребс и транспорт на електрони). Има два вида ферментация: алкохолна ферментация и млечнокисела ферментация. Ние използваме и двата вида ферментация, използвайки други организми, но в човешкото тяло всъщност се извършва само ферментация на млечна киселина.


Преходна реакция - първата стъпка в процеса на аеробно клетъчно дишане

Преходната реакция, която се случва в матрицата на митохондрията, е първата стъпка в процеса на аеробно клетъчно дишане.

Ако малко или няма кислород е наличен, пируват в цитозола може да се окисли чрез един от два процеса на ферментация.

Пируватът преминава през външната мембрана на митохондриите и след това влиза в матрицата.

Веднъж в матрицата, комплексът от пируват дехидрогеназа подпомага процеса на окислително декарбоксилиране.

NAD + премахва два електрона, окислявайки пируват.

Въглеродният диоксид се отстранява, оставяйки двувъглеродна ацетилова група, която се комбинира с коензим А, за да образува ацетил-КоА.

Коензим А е съединение, което съдържа функционална група на основата на сяра. Тази електроотрицателна функционална група на основата на сяра се свързва с въглерод в ацетилната група, за да се получи реакционноспособният ацетил-CoA.

Липидите и протеините могат да се разграждат до ацетил-КоА в клетката и да произвеждат АТФ в митохондриите.

Ако нивата на АТФ са високи, ацетил-КоА може да бъде насочен към други метаболитни пътища, като например производството на мастни киселини, които са необходими за производството на липиди.


Аеробно клетъчно дишане

Клетъчното дишане е жизненоважно за оцеляването на всички организми, тъй като енергията от храната (глюкоза) не може да бъде използвана от клетката, докато не се превърне в АТФ. Следователно, това е непрекъснат цикъл, който се осъществява във всички организми. Аеробното дишане играе решаваща роля в производството на АТФ, където глюкозата и кислородът са жизненоважни елементи. Този процес се извършва само ако има наличен кислород. Разгледайте химическата формула, дадена тук.

С прости думи – Глюкоза + кислород = въглероден диоксид + вода + енергия (АТФ)


Повече информация

Веригата за транспортиране на електрони (Фигура 1а) е последният компонент на аеробното дишане и е единствената част от метаболизма, която всъщност използва атмосферния кислород. Кислородът непрекъснато се дифундира в растенията за тази цел. При животните кислородът постъпва в тялото през дихателната система. Електронният транспорт е поредица от химични реакции, които приличат на бригада с кофа, тъй като електроните се предават бързо от един компонент на друг, до крайната точка на веригата, където кислородът е крайният акцептор на електрони и се произвежда вода. Има четири комплекса, съставени от протеини, маркирани от I до IV in Фигура 1в, и съвкупността от тези четири комплекса, заедно със свързани мобилни, допълнителни аксесоари за електронни носители, се нарича електрон транспортна верига. Транспортната електронна верига присъства в множество копия във вътрешната митохондриална мембрана на еукариотите и в плазмената мембрана на прокариотите. Докато електронът преминава през веригата за транспортиране на електрон, енергията, която съдържа, се съхранява като потенциална енергия от клетката. По-конкретно, енергията в електроните се използва за изпомпване на водородни йони (H+) през вътрешната митохондриална мембрана в междумембранното пространство, създавайки електрохимичен градиент. Можете да мислите за този наклон като за вода зад язовир – съхранената потенциална енергия може да се използва за завъртане на турбина и генериране на енергия (електричество в случай на язовира, АТФ в случай на транспортна електронна верига).

Фигура 1 (а) Електронната транспортна верига е набор от молекули, които поддържат серия от окислително-редукционни реакции. (б) АТФ синтазата е сложна, молекулярна машина, която използва Н + градиент за регенериране на АТФ от АДФ. (в) Хемиосмозата разчита на потенциалната енергия, осигурена от Н + градиента през мембраната.

Електрони от NADH и FADH2 се предават на протеинови комплекси в електронно -транспортната верига. Тъй като те преминават от един комплекс в друг (има общо четири), електроните губят енергия и част от тази енергия се използва за изпомпване на водородни йони от митохондриалната матрица в междумембранното пространство. В четвъртия протеинов комплекс електроните се приемат от кислорода, терминален акцептор. Кислородът с неговите допълнителни електрони след това се комбинира с два водородни йона, допълнително засилвайки електрохимичния градиент, за да образува вода. Ако в митохондрията няма кислород, електроните не биха могли да бъдат премахнати от системата и цялата електронна транспортна верига ще се върне назад и ще спре. Митохондриите не биха могли да генерират нов АТФ по този начин и клетката в крайна сметка ще умре от липса на енергия. Това е причината да трябва да дишаме, за да черпим нов кислород.

Водородните йони дифундират през вътрешната мембрана чрез интегрален мембранен протеин, наречен АТФ синтаза (Фигура 1b). Този сложен протеин действа като малък генератор, завъртян от силата на дифундиращите през него водородни йони, надолу по техния електрохимичен градиент от междумембранното пространство, където има много взаимно отблъскващи се водородни йони към матрицата, където има малко. Завъртането на частите на тази молекулярна машина регенерира АТФ от ADP. Този поток от водородни йони през мембраната през АТФ синтаза се нарича хемиосмоза.

химиосмоза (Фигура 1в) се използва за генериране на 90 процента от АТФ, произведен по време на аеробния глюкозен катаболизъм. Резултатът от реакциите е производството на АТФ от енергията на електроните, отстранени от водородните атоми. Тези атоми първоначално са били част от глюкозна молекула. В края на електронната транспортна система електроните се използват за редукция на кислородна молекула до кислородни йони. Допълнителните електрони върху кислородните йони привличат водородни йони (протони) от заобикалящата среда и се образува вода. Веригата за транспортиране на електрони и производството на АТФ чрез хемиосмоза се наричат ​​общо окислително фосфорилиране.


Цикълът на лимонената киселина се състои от редица реакции, които произвеждат NADH и FADH₂ и след това те се използват от пътя на окислителното фосфорилиране за образуване на АТФ, който след това преминава през електронната транспортна система. Цикълът на лимонената киселина се случва през матрица на митохондриите на клетката. Окисляването на пировиновата киселина се осъществява чрез поредица от реакции. Тези реакции се получават чрез цикъл, известен като цикъл на трикарбоксилна киселина. Известен е още като TCA цикъл. Първият продукт в този цикъл е лимонена киселина, поради което се нарича цикъл на лимонена киселина или CAC.

Британският биохимик сър Ханс Адолф Кребс открива този цикъл през 1937 г. В резултат на това той присъжда Нобелова награда през 1953 г. Съответно този цикъл е познат и като цикъла на Кребс.