Aerobic Respiration

Definition

Oddychanie tlenowe to proces, w którym organizmy wykorzystują tlen do przekształcania paliwa, takiego jak tłuszcze i cukry, w energię chemiczną. W przeciwieństwie do tego, oddychanie beztlenowe nie wykorzystuje tlenu.

Odddychanie jest wykorzystywane przez wszystkie komórki do przekształcania paliwa w energię, która może być wykorzystana do zasilania procesów komórkowych. Produktem oddychania jest cząsteczka zwana adenozynotrójfosforanem (ATP), która wykorzystuje energię przechowywaną w wiązaniach fosforanowych do zasilania reakcji chemicznych. Jest on często określany jako „waluta” komórki.

Oddychanie beztlenowe jest znacznie bardziej wydajne i produkuje ATP znacznie szybciej niż oddychanie beztlenowe. Dzieje się tak dlatego, że tlen jest doskonałym akceptorem elektronów dla reakcji chemicznych biorących udział w wytwarzaniu ATP.

Oddychanie tlenowe vs beztlenowe

Podobieństwa

Oba rodzaje oddychania – tlenowe i beztlenowe – są metodami wytwarzania energii. Oba też zaczynają się w ten sam sposób, od procesu glikolizy. „Glikoliza” dosłownie oznacza „rozszczepianie cukru” i obejmuje rozbicie cząsteczki cukru na dwie mniejsze cząsteczki.

W procesie glikolizy zużywane są dwie cząsteczki ATP, a produkowane cztery. Powoduje to zysk netto w postaci dwóch cząsteczek ATP produkowanych na każdą cząsteczkę cukru rozbitą przez glikolizę. W tym miejscu kończą się podobieństwa między oddychaniem tlenowym i beztlenowym.

W komórkach, które mają tlen i oddychanie tlenowe może przebiegać, cząsteczka cukru jest rozkładana na dwie cząsteczki pirogronianu. W komórkach, które nie mają tlenu, cząsteczka cukru jest rozkładana do innych form, takich jak mleczan.

Różnice

Po glikolizie, różne chemie oddychania mogą podążać kilkoma różnymi ścieżkami:

• Komórki wykorzystujące oddychanie tlenowe kontynuują swój łańcuch przenoszenia elektronów w wysoce wydajnym procesie, który kończy się uzyskaniem 38 cząsteczek ATP z każdej cząsteczki cukru.
• Komórki, które są pozbawione tlenu, ale normalnie nie używają oddychania beztlenowego, jak nasze własne komórki mięśniowe, mogą pozostawić produkty końcowe glikolizy siedząc wokół, uzyskując tylko dwa ATP na każdą cząsteczkę cukru, którą rozdzielają. Jest to nieefektywna metoda uzyskiwania energii przez oddychanie.
• Komórki, które są wykonane do oddychania beztlenowego, takie jak wiele rodzajów bakterii, mogą kontynuować łańcuch przenoszenia elektronów, aby wydobyć więcej energii z produktów końcowych glikolizy.

Po glikolizie, komórki, które nie używają tlenu do oddychania, ale przechodzą do łańcucha transportu elektronów mogą używać innego akceptora elektronów, takiego jak siarczan lub azotan, do napędzania ich reakcji do przodu.

Procesy te reprezentują typ oddychania beztlenowego zwanego „fermentacją”. Niektóre typy reakcji fermentacyjnych wytwarzają alkohol i dwutlenek węgla. W ten sposób powstają napoje alkoholowe i chleb.

Oddychanie tlenowe, z drugiej strony, wysyła pirogronian pozostały po glikolizie w dół zupełnie inną ścieżką chemiczną, której etapy są szczegółowo omówione poniżej.

Etapy oddychania tlenowego

Ogólne równanie

Równanie dla oddychania tlenowego opisuje reaktory i produkty wszystkich jego etapów, w tym glikolizy. To równanie jest następujące:

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

Podsumowując, 1 cząsteczka sześciowęglowej glukozy i 6 cząsteczek tlenu są przekształcane w 6 cząsteczek dwutlenku węgla, 6 cząsteczek wody i 38 cząsteczek ATP. Reakcje oddychania tlenowego można podzielić na cztery etapy, opisane poniżej.

Glikoliza

Glikoliza jest pierwszym etapem oddychania tlenowego i zachodzi w cytoplazmie komórki. Polega ona na rozszczepieniu 1 sześciowęglowej cząsteczki cukru na 2 trójwęglowe cząsteczki pirogronianu. W wyniku tego procesu powstają dwie cząsteczki ATP.

Ogólne równanie jest następujące:

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

Proces ten powoduje redukcję kofaktora NAD+ do NADH. Jest to ważne, ponieważ później w procesie oddychania komórkowego, NADH będzie zasilał tworzenie znacznie większej ilości ATP poprzez łańcuch transportu elektronów w mitochondriach.

W następnym etapie, pirogronian jest przetwarzany w celu przekształcenia go w paliwo dla cyklu kwasu cytrynowego, przy użyciu procesu dekarboksylacji oksydacyjnej.

Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu

2 (Pirogronian + Koenzym A + NAD+ → Acetyl CoA + CO2 + NADH)

Oksydacyjna dekarboksylacja, czasami nazywana reakcją łączącą lub reakcją przejściową, jest ogniwem łączącym glikolizę z cyklem kwasu cytrynowego. Pirogronian jest przenoszony do macierzy mitochondrialnej przez białko znane jako translokaza pirogronianowa. Tutaj pirogronian jest łączony z koenzymem A, aby uwolnić cząsteczkę dwutlenku węgla i utworzyć acetylo-CoA.

Ta reakcja przejściowa jest ważna, ponieważ acetylo-CoA jest idealnym paliwem dla cyklu kwasu cytrynowego, który z kolei może zasilać proces fosforylacji oksydacyjnej w mitochondriach, który wytwarza ogromne ilości ATP.

Więcej NADH jest również tworzone w tej reakcji. Oznacza to więcej paliwa do tworzenia większej ilości ATP później w procesie oddychania komórkowego.

Cyklu kwasu cytrynowego

Cyklu kwasu cytrynowego, zwanego również cyklem kwasu trójkarboksylowego lub cyklem Krebsa, jest serią reakcji redoks, która rozpoczyna się od acetylo-CoA. Reakcje te zachodzą w macierzy mitochondriów komórek eukariotycznych. W komórkach prokariotycznych zachodzą one w cytoplazmie. Ogólna reakcja przebiega następująco:

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

Reakcja zachodzi dwukrotnie dla każdej cząsteczki glukozy, ponieważ powstają dwa pirogroniany, a więc dwie cząsteczki AcetyloCoA, które wchodzą do cyklu kwasu cytrynowego.

Powstają zarówno NADH jak i FADH2 – kolejny nośnik elektronów dla łańcucha transportu elektronów. Wszystkie NADH i FADH2 utworzone w poprzednich etapach wchodzą teraz do gry w procesie fosforylacji oksydacyjnej.

Podsumowując, dla każdej rundy cyklu, dwa węgle wchodzą do reakcji w postaci Acetylo-CoA. Te produkują dwie cząsteczki dwutlenku węgla. Reakcje generują trzy cząsteczki NADH i jedną cząsteczkę FADH. Wytwarzana jest jedna cząsteczka ATP.

Fosforylacja oksydacyjna

Fosforylacja oksydacyjna jest podstawowym etapem dostarczania energii w oddychaniu tlenowym. Wykorzystuje ona pofałdowane błony w mitochondriach komórki do produkcji ogromnych ilości ATP.

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

W tym procesie NADH i FADH2 oddają elektrony, które uzyskały z glukozy podczas poprzednich etapów oddychania komórkowego, do łańcucha transportu elektronów w błonie mitochondriów.

Łańcuch transportu elektronów składa się z szeregu kompleksów białkowych, które są osadzone w błonie mitochondrialnej, w tym kompleksu I, Q, kompleksu III, cytochromu C i kompleksu IV.

Wszystkie z nich ostatecznie służą do przekazywania elektronów z wyższych do niższych poziomów energetycznych, zbierając energię uwolnioną w tym procesie. Energia ta jest wykorzystywana do zasilania pomp protonowych, które zasilają tworzenie ATP.

Tak jak pompa sodowo-potasowa błony komórkowej, pompy protonowe błony mitochondrialnej są wykorzystywane do generowania gradientu stężenia, który może być wykorzystywany do zasilania innych procesów.

Protony, które są transportowane przez membranę przy użyciu energii zebranej z NADH i FADH2 „chcą” przejść przez białka kanałowe z ich obszaru wysokiego stężenia do ich obszaru niskiego stężenia.

Precyzując, białka kanałowe są syntezami ATP, które są enzymami wytwarzającymi ATP. Kiedy protony przechodzą przez syntazę ATP, napędzają tworzenie ATP.

Ten proces jest dlaczego mitochondria są określane jako „powerhouses of the cell.” Łańcuch transportu elektronów w mitochondriach sprawia, że prawie 90% całego ATP wytwarzanego przez komórkę pochodzi z rozpadu pożywienia.

Jest to również etap, który wymaga tlenu. Bez cząsteczek tlenu, które mogłyby przyjąć wyczerpane elektrony na końcu łańcucha transportu elektronów, elektrony cofnęłyby się, a proces tworzenia ATP nie mógłby być kontynuowany.

Oddychanie tlenowe i utrata masy ciała

Oddychanie tlenowe to proces, w którym wiele komórek, w tym nasza własna, wytwarza energię przy użyciu pożywienia i tlenu. Powoduje ono również powstawanie dwutlenku węgla, którego nasze ciała muszą się pozbyć.

Odddychanie beztlenowe jest procesem, w którym potrzebujemy zarówno pożywienia, jak i tlenu, ponieważ oba są wymagane do produkcji ATP, który pozwala naszym komórkom funkcjonować. Wdychamy O2 i wydychamy taką samą liczbę cząsteczek CO2. Skąd się wziął atom węgla? Pochodzi on z pożywienia, takiego jak cukier i tłuszcz, które zjadłeś.

To również dlatego oddychasz ciężej i szybciej podczas wykonywania czynności spalających kalorie. Twoje ciało używa zarówno tlenu jak i cukru w tempie szybszym niż normalne i produkuje więcej ATP do zasilania komórek, wraz z większą ilością produktu odpadowego CO2.

Ale nasze komórki normalnie używają tlenu do oddychania, kiedy używamy ATP szybciej niż dostajemy cząsteczki tlenu do naszych komórek, nasze komórki mogą wykonywać oddychanie beztlenowe, aby zaspokoić swoje potrzeby przez kilka minut.

Zabawny fakt: Nagromadzenie mleczanu z oddychania beztlenowego jest jednym z powodów, dla których mięśnie mogą być obolałe po intensywnych ćwiczeniach!

Funkcja oddychania tlenowego

Odddddychanie tlenowe dostarcza energii do napędzania wszystkich procesów komórkowych. W wyniku reakcji powstaje ATP, który jest następnie wykorzystywany do zasilania innych funkcji podtrzymujących życie, w tym wzrostu, naprawy i konserwacji. Na przykład, ATP zasila działanie pompy sodowo-potasowej, która pozwala nam się poruszać, myśleć i postrzegać otaczający nas świat. ATP zasila działanie wielu enzymów i niezliczonych innych białek, które podtrzymują życie!

Quiz

Bibliografia

.