Aerobní dýchání

Definice

Aerobní dýchání je proces, při kterém organismy využívají kyslík k přeměně paliva, jako jsou tuky a cukry, na chemickou energii. Naproti tomu anaerobní dýchání kyslík nevyužívá.

Dýchání využívají všechny buňky k přeměně paliva na energii, která může být použita k pohonu buněčných procesů. Produktem dýchání je molekula zvaná adenosintrifosfát (ATP), která využívá energii uloženou ve fosfátových vazbách k pohonu chemických reakcí. Často se označuje jako „měna“ buňky.

Aerobní dýchání je mnohem účinnější a produkuje ATP mnohem rychleji než anaerobní dýchání. Je to proto, že kyslík je vynikajícím akceptorem elektronů pro chemické reakce, které se podílejí na tvorbě ATP.

Aerobní versus anaerobní

Podobnosti

Aerobní i anaerobní dýchání jsou způsoby získávání energie. Obě také začínají stejně, procesem glykolýzy. „Glykolýza“ doslova znamená „štěpení cukru“ a zahrnuje rozklad molekuly cukru na dvě menší molekuly.

Při procesu glykolýzy se spotřebovávají dvě molekuly ATP a vznikají čtyři. Výsledkem je čistý zisk dvou vyrobených molekul ATP na každou molekulu cukru rozloženou glykolýzou. Zde podobnost mezi aerobním a anaerobním dýcháním končí.

V buňkách, které mají k dispozici kyslík a může probíhat aerobní dýchání, se molekula cukru rozkládá na dvě molekuly pyruvátu. V buňkách, které nemají k dispozici kyslík, se molekula cukru rozkládá na jiné formy, například na laktát.

Rozdíly

Po glykolýze mohou různé dýchací chemie probíhat několika různými cestami:

• Buňky využívající aerobní dýchání pokračují v řetězci přenosu elektronů ve vysoce účinném procesu, který končí získáním 38 molekul ATP z každé molekuly cukru.
• Buňky, které jsou zbaveny kyslíku, ale normálně nepoužívají anaerobní dýchání, jako naše vlastní svalové buňky, mohou nechat konečné produkty glykolýzy ležet a získat pouze dva ATP na každou molekulu cukru, kterou rozštěpí. To je neúčinný způsob získávání energie dýcháním.
• Buňky, které jsou stvořeny pro anaerobní dýchání, jako například mnoho druhů bakterií, mohou pokračovat v řetězci přenosu elektronů, aby získaly více energie z konečných produktů glykolýzy.

Po glykolýze mohou buňky, které nevyužívají k dýchání kyslík, ale pokračují v řetězci přenosu elektronů, použít jiný akceptor elektronů, například síran nebo dusičnan, aby poháněly svou reakci vpřed.

Tyto procesy představují typ anaerobního dýchání nazývaný „fermentace“. Při některých typech fermentačních reakcí vzniká alkohol a oxid uhličitý. Takto se vyrábějí alkoholické nápoje a chléb.

Aerobní dýchání naproti tomu posílá pyruvát, který zbyl po glykolýze, zcela jinou chemickou cestou, jejíž kroky jsou podrobně popsány níže.

Kroky aerobního dýchání

Celková rovnice

Rovnice aerobního dýchání popisuje reaktanty a produkty všech jeho kroků, včetně glykolýzy. Tato rovnice zní:

1 glukóza + 6 O2 → 6 CO2+ 6 H2O + 38 ATP

V souhrnu se 1 molekula šestiuhlíkaté glukózy a 6 molekul kyslíku přemění na 6 molekul oxidu uhličitého, 6 molekul vody a 38 molekul ATP. Reakce aerobního dýchání lze rozdělit do čtyř fází, které jsou popsány níže.

Glykolýza

Glykolýza je první fází aerobního dýchání a probíhá v cytoplazmě buňky. Zahrnuje štěpení 1 šestiuhlíkaté molekuly cukru na 2 tříuhlíkaté molekuly pyruvátu. Při tomto procesu vznikají dvě molekuly ATP.

Celková rovnice je následující:

C6H12O6 + 2 ADP + 2 PI + 2 NAD+ → 2 pyruvát + 2 ATP + 2 NADH + 2 H+ + 2 H2O

Tento proces redukuje kofaktor NAD+ na NADH. To je důležité, protože později v procesu buněčného dýchání bude NADH pohánět tvorbu mnohem většího množství ATP prostřednictvím elektronového transportního řetězce v mitochondriích.

V další fázi se pyruvát zpracovává na palivo pro cyklus kyseliny citronové pomocí procesu oxidativní dekarboxylace.

Oxidační dekarboxylace pyruvátu

2 (Pyruvát- + koenzym A + NAD+ → Acetyl CoA + CO2 + NADH)

Oxidační dekarboxylace, někdy označovaná jako spojovací nebo přechodová reakce, je spojovacím článkem mezi glykolýzou a cyklem kyseliny citronové. Pyruvát je přenášen do mitochondriální matrix prostřednictvím proteinu známého jako pyruvát translokáza. Zde se pyruvát spojí s koenzymem A, čímž se uvolní molekula oxidu uhličitého a vznikne acetyl-CoA.

Tato přechodová reakce je důležitá, protože acetyl-CoA je ideálním palivem pro cyklus kyseliny citronové, který může následně pohánět proces oxidativní fosforylace v mitochondriích, při němž vzniká obrovské množství ATP.

Při této reakci vzniká také více NADH. To znamená více paliva pro tvorbu dalšího ATP později v procesu buněčného dýchání.

Cyklus kyseliny citronové

Cyklus kyseliny citronové, nazývaný také cyklus kyseliny trikarboxylové nebo Krebsův cyklus, je série redoxních reakcí, která začíná Acetyl CoA. Tyto reakce probíhají v matrici mitochondrií eukaryotických buněk. V prokaryotických buňkách probíhají v cytoplazmě. Celková reakce probíhá takto:

2 (ACETYL COA + 3 NAD+ + FAD + ADP + PI → CO2 + 3 NADH + FADH2 + ATP + H+ + COENZYME A)

Reakce probíhá dvakrát pro každou molekulu glukózy, protože vznikají dva pyruváty, a tudíž dvě molekuly Acetyl CoA, které vstupují do cyklu kyseliny citronové.

Vytváří se NADH i FADH2 – další nosič elektronů pro elektronový transportní řetězec. Všechny NADH a FADH2 vytvořené v předchozích krocích nyní vstupují do procesu oxidativní fosforylace.

Shrnem lze říci, že v každém kole cyklu vstupují do reakce dva uhlíky ve formě Acetyl CoA. Z nich vznikají dvě molekuly oxidu uhličitého. Při reakcích vznikají tři molekuly NADH a jedna molekula FADH. Vzniká jedna molekula ATP.

Oxidativní fosforylace

Oxidativní fosforylace je základní fází aerobního dýchání poskytující energii. Využívá složené membrány v mitochondriích buňky k produkci obrovského množství ATP.

34 (ADP + PI+ NADH + 1/2 O2 + 2H+ → ATP + NAD+ + 2 H2O)

V tomto procesu odevzdávají NADH a FADH2 elektrony, které získaly z glukózy během předchozích kroků buněčného dýchání, do elektronového transportního řetězce v membráně mitochondrie.

Elektronový transportní řetězec se skládá z řady bílkovinných komplexů, které jsou zabudovány v mitochondriální membráně, včetně komplexu I, Q, komplexu III, cytochromu C a komplexu IV.

Všechny tyto komplexy nakonec slouží k předávání elektronů z vyšších energetických hladin na nižší a získávají energii uvolněnou při tomto procesu. Tato energie se využívá k napájení protonových pump, které pohánějí tvorbu ATP.

Stejně jako sodíko-draslíková pumpa buněčné membrány slouží protonové pumpy mitochondriální membrány k vytváření koncentračního gradientu, který lze využít k napájení dalších procesů.

Protony, které jsou přes membránu transportovány pomocí energie získané z NADH a FADH2, „chtějí“ projít kanálovými proteiny z oblasti vysoké koncentrace do oblasti nízké koncentrace.

Kanálové proteiny jsou konkrétně ATP syntézy, což jsou enzymy, které vytvářejí ATP. Když protony procházejí ATP syntázou, pohánějí tvorbu ATP.

Tento proces je důvodem, proč se mitochondrie označují jako „elektrárny buňky“. Elektronový transportní řetězec v mitochondriích vytváří téměř 90 % veškerého ATP, které buňka vyprodukuje rozkladem potravy.

Tento krok také vyžaduje kyslík. Bez molekul kyslíku, které by přijaly vyčerpané elektrony na konci elektronového transportního řetězce, by se elektrony vrátily zpět a proces tvorby ATP by nemohl pokračovat.

Aerobní dýchání a hubnutí

Aerobní dýchání je proces, při kterém mnoho buněk, včetně naší vlastní, vyrábí energii pomocí potravy a kyslíku. Vzniká při něm také oxid uhličitý, kterého se naše tělo musí následně zbavit.

Aerobní dýchání je důvodem, proč potřebujeme jak potravu, tak kyslík, protože obojí je nutné k výrobě ATP, který umožňuje fungování našich buněk. Vdechujeme O2 a vydechujeme stejný počet molekul CO2. Odkud se vzal atom uhlíku? Pochází z potravy, například z cukru a tuku, které jste snědli.

To je také důvod, proč při činnostech spalujících kalorie dýcháte intenzivněji a rychleji. Vaše tělo spotřebovává kyslík i cukr rychleji, než je obvyklé, a produkuje více ATP k napájení buněk spolu s větším množstvím odpadního produktu CO2.

Ačkoli naše buňky normálně používají k dýchání kyslík, když spotřebováváme ATP rychleji, než se k našim buňkám dostávají molekuly kyslíku, mohou naše buňky provádět anaerobní dýchání, aby na několik minut zajistily své potřeby.

Zábavný fakt: Hromadění laktátu z anaerobního dýchání je jedním z důvodů, proč mohou být svaly po intenzivním cvičení bolestivé!

Funkce aerobního dýchání

Aerobní dýchání poskytuje energii pro všechny buněčné procesy. Při reakcích vzniká ATP, který je pak využíván k pohonu dalších životně důležitých funkcí, včetně růstu, oprav a údržby. ATP například pohání činnost sodíko-draselné pumpy, která nám umožňuje pohyb, myšlení a vnímání okolního světa. ATP pohání činnost mnoha enzymů a působení bezpočtu dalších bílkovin, které udržují život!“

Kvíz

Bibliografie

.