Aerobik Solunumun İşlevi Nedir?

İçerik

• Aerobik Solunumun Kimyasal Özeti
• Dünyanın Kökenleri veya Aerobik Solunumları
• Glikoliz: Evrensel Bir Başlangıç ​​Noktası
• Krebs Döngüsü
• Elektron Taşıma Zinciri
• Bitkilerde Fotosentez ve Aerobik Solunum

Genellikle "hücresel solunum" ile değişimli olarak kullanılan bir terim olan aerobik solunum, canlıların karbon bileşiklerinin kimyasal bağlarında depolanan enerjiyi oksijenin varlığında çıkarması ve bu ekstrakt enerjiyi metabolik olarak kullanması için harika bir yüksek verim yoludur. süreçler. Ökaryotik organizmaların (yani, hayvanlar, bitkiler ve mantarlar) hepsi, esas olarak mitokondri adı verilen hücresel organellerin varlığına teşekkür ederek aerobik solunumdan yararlanır. Birkaç prokaryotik organizma (yani bakteri) daha ilkel aerobik solunum yollarından yararlanır, ancak genel olarak “aerobik solunum” gördüğünüzde “çok hücreli ökaryotik organizma” demeniz gerekir.

Ancak bu, aklınıza bir tek şey atlamaz. Aşağıda, aerobik solunumun temel kimyasal yolları, neden bu kadar önemli bir reaksiyon dizisi olduğu ve bunların biyolojik ve jeolojik tarih boyunca nasıl başladığı hakkında bilmeniz gerekenler anlatılmaktadır.

Aerobik Solunumun Kimyasal Özeti

Tüm hücresel besin metabolizması glikoz molekülleriyle başlar. Bu altı karbon şekeri, her üç makro-besin sınıfındaki (karbonhidratlar, proteinler ve yağlar) gıdalardan elde edilebilir, ancak glikozun kendisi basit bir karbonhidrattır. Oksijen varlığında, glukoz dönüştürülür ve yaklaşık 20 reaksiyonluk bir zincire dönüştürülür ve parçalanır, karbondioksit, su, ısı ve en çok kullanılan hücrelerde en sık kullanılan molekül olan 36 veya 38 adenosin trifosfat molekülü (ATP) Doğrudan bir yakıt kaynağı olarak şeyler. Aerobik solunum yoluyla üretilen ATP miktarındaki değişiklik, bitki hücrelerinin bazen bir glikoz molekülünden 38 ATP'yi sıktığı gerçeğini yansıtırken, hayvan hücreleri glikoz molekülü başına 36 ATP üretir. Bu ATP, serbest fosfat moleküllerini (P) ve adenozin difosfatın (ADP) birleştirilmesiyle elde edilir, bunun neredeyse tamamı elektron taşıma zincirinin reaksiyonlarında aerobik solunumun son aşamalarında meydana gelir.

Aerobik solunumu açıklayan tam kimyasal reaksiyon:

C₆'H₁₂Ö₆ + 36 (veya 38) ADP + 36 (veya 38) P + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂0 + 420 kcal + 36 (veya 38) ATP.

Reaksiyonun kendisi bu formda yeterince açık görünmekle birlikte, denklemin sol tarafından (reaktifler) sağ tarafa (420 kilokalori serbest ısı içeren ürünler) almak için attığı adımların çokluğuna inanmaktadır. ). Geleneksel olarak, reaksiyonların tümü, her birinin gerçekleştiği yere göre üç bölüme ayrılır: glikoliz (sitoplazma), Krebs döngüsü (mitokondriyal matris) ve elektron taşıma zinciri (iç mitokondri zar). Bununla birlikte, bu süreçleri ayrıntılı olarak incelemeden önce, aerobik solunumun Dünya'da nasıl başladığını görmek için bir düzene bakın.

Dünyanın Kökenleri veya Aerobik Solunumları

Aerobik solunumun işlevi, hücrelerin ve dokuların onarımı, büyümesi ve bakımı için yakıt sağlamaktır. Bu, aerobik solunumun ökaryotik organizmaları canlı tuttuğunu belirtmenin biraz resmi bir yoludur. Çoğu durumda yiyeceksiz ve çoğu zaman susuz birkaç gün, ancak oksijensiz birkaç dakika gidebilirsiniz.

Oksijen (O), normal havada, diyatomik şekliyle O bulunur.₂. Bu element, bir anlamda, 1600'lerde, havanın hayvanların hayatta kalması için hayati önem taşıyan bir element içerdiği, bir insanın kapalı bir ortamda alev yoluyla veya uzun vadede tükenebilecek bir element içerdiği keşfedildi. nefes.

Oksijen soluduğunuz gazların yaklaşık beşte birini oluşturur. Ancak gezegenin 4.5 milyar yıllık tarihinde bu şekilde değildi ve zaman içinde Dünya atmosferindeki oksijen miktarındaki değişimin tahmin edilebileceği gibi biyolojik evrim üzerinde derin etkiler. Gezegenlerin ilk yarısında şu anki ömrü Hayır havadaki oksijen. 1.7 milyar yıl önce, atmosfer yüzde 4 oksijenden oluşuyordu ve tek hücreli organizmalar ortaya çıkmıştı. 0.7 milyar yıl önce, O₂ havanın yüzde 10 ila 20'sinden oluşan ve daha büyük, çok hücreli organizmalar ortaya çıkmıştı. 300 milyon yıl önce, oksijen içeriği havanın yüzde 35'ine yükselmişti ve buna bağlı olarak dinozorlar ve diğer çok büyük hayvanlar normaldi. Daha sonra O tarafından düzenlenen havanın payı₂ bugün olduğu yere yükselene kadar yüzde 15'e düştü.

Bu deseni tek başına izleyerek açıkça anlaşılır ki bu, bilimsel olarak büyük olasılıkla oksijenin nihai fonksiyonunun hayvanların büyümesini sağlamasıdır.

Glikoliz: Evrensel Bir Başlangıç ​​Noktası

10 glikoliz reaksiyonunun kendisi ilerlemek için oksijene ihtiyaç duymaz ve prokaryotik ve ökaryotik olmak üzere tüm canlılarda glikoliz meydana gelir. Ancak glikoliz, hücresel solunumun spesifik aerobik reaksiyonları için gerekli bir öncüdür ve normalde bunlarla birlikte tarif edilir.

Altıgen halka yapılı altı karbonlu bir molekül olan glikoz bir hücre sitoplazmasına girer, hemen fosforile edilir, yani karbonundan birine bağlı bir fosfat grubuna sahip olur. Bu, net bir negatif yük vererek hücre içindeki glikoz molekülünü etkili bir şekilde yakalar. Molekül daha sonra, moleküle başka bir fosfat eklenmeden önce, hiçbir atom kaybı veya atom kazancı olmadan fosforile edilmiş fruktoz halinde yeniden düzenlenir. Bu, daha sonra her biri kendi fosfatının bağlı olduğu bir çift üç-karbon bileşiği halinde parçalanan molekülü kararsızlaştırır. Bunlardan biri diğerine dönüştürülür ve daha sonra, bir dizi aşamada, iki üç karbonlu molekül, 2 ATP elde etmek için fosfatlarını ADP (adenosin difosfat) moleküllerine bırakır. Orijinal altı karbonlu glikoz molekülü, piruvat adı verilen üç karbonlu bir molekülün iki molekülü olarak sarar ve ek olarak, iki NADH molekülü (daha sonra detaylı olarak tartışılır) üretilir.

Krebs Döngüsü

Piruvat, oksijen varlığında, mitokondri adı verilen hücresel organellerin matrisine ("orta" düşünür) hareket eder ve asetil koenzim A (asetil CoA) adı verilen iki karbonlu bir bileşiğe dönüştürülür. Bu işlemde, bir karbon dioksit molekülü (CO₂).Süreçte bir NAD molekülü⁺ (yüksek enerjili elektron taşıyıcı denilen) NADH'ye dönüştürülür.

Aynı zamanda sitrik asit döngüsü veya trikarboksilik asit döngüsü olarak da adlandırılan Krebs döngüsü, reaksiyonlarından ziyade bir döngü olarak adlandırılır, çünkü ürünlerinden biri olan dört karbonlu molekül oksaloasetat; bir asetil CoA molekülü. Bu sitrat adı verilen altı karbonlu bir molekül ile sonuçlanır. Bu molekül, bir dizi enzim tarafından alfa-ketoglutarat adı verilen beş karbonlu bir bileşik halinde manipüle edilir; bu, süksinat elde etmek için başka bir karbonu kaybeder. Bir karbon kaybolduğunda, CO şeklindedir.₂ve bu reaksiyonlar enerjisel olarak elverişli olduğu için, her bir karbondioksit kaybına başka bir NAD'nin dönüşümü eşlik eder.⁺ NAD'ye. Süksinat oluşumu ayrıca bir ATP molekülü yaratır.

Süksinat, FADH'nin bir molekülünü üreten fumarat dönüştürülür.₂ FAD çıkışlı²⁺ (NAD'ye benzer bir elektron taşıyıcı⁺ işlevinde). Bu, malaya dönüştürülür ve daha sonra oksaloasetata dönüştürülen başka bir NADH verir.

Eğer puan tutuyorsanız, 3 NADH, 1 FADH sayabilirsiniz.₂ ve Krebs döngüsünün dönüş başına 1 ATP. Ancak, her bir glikoz molekülünün döngüye girebilmek için iki asetil CoA molekülü sağladığını unutmayın, bu nedenle sentezlenen bu moleküllerin toplam sayısı 6 NADH, 2 FADH'dir.₂ ve 2 ATP. Böylece Krebs döngüsü doğrudan çok fazla enerji üretmez - akış yukarı sağlanan glikoz molekülü başına sadece 2 ATP - ve ayrıca oksijene ihtiyaç duyulmaz. Fakat NADH ve FADH₂ için kritik oksidatif fosforilasyon toplu olarak elektron taşıma zinciri olarak adlandırılan bir sonraki reaksiyon dizisindeki adımlar.

Elektron Taşıma Zinciri

NADH ve FADH'nin çeşitli molekülleri₂ Hücresel solunumun önceki aşamalarında oluşturulan, cristae adı verilen iç mitokondri zarının kıvrımlarında meydana gelen elektron taşıma zincirinde kullanılmaya hazırdır. Kısacası, NAD'a bağlı yüksek enerjili elektronlar⁺ ve FAD²⁺ membran boyunca bir proton gradyanı oluşturmak için kullanılır. Bu sadece daha yüksek proton konsantrasyonunun olduğu anlamına gelir (H⁺ iyonları) membranın bir tarafında diğer tarafa göre, bu iyonların yüksek proton konsantrasyonlu bölgelerden düşük proton konsantrasyonlu alanlara akması için bir ivme yaratmaktadır. Bu şekilde, protonlar, "yüksek" bir alandan daha düşük konsantrasyonlu bir bölgeye geçmek isteyen sudan daha az farklı davranırlar - burada, burada gözlemlenen sözde kemiyomotik gradyan yerine, yerçekiminin etkisi altında elektron taşıma zinciri.

Akan su enerjisini başka bir yerde (bu durumda elektrik üretecek) çalışmak için kullanan bir hidroelektrik santralindeki türbin gibi, proton gradyanı tarafından membran boyunca oluşturulan enerjinin bir kısmı ADP'ye serbest fosfat grupları (P) eklemek için yakalanır. ATP'yi oluşturmak için moleküller, fosforilasyon adı verilen bir işlem (ve bu durumda, oksidatif fosforilasyon). Aslında, bu NADH ve FADH'a kadar elektron taşıma zincirinde tekrar tekrar olur.₂ Glikolizden ve Krebs siklusu - birincisinin yaklaşık 10'u ve ikincisinin ikisi - kullanılır. Bu, glikoz molekülü başına yaklaşık 34 ATP molekülü oluşturulmasına neden olur. Glikoliz ve Krebs döngüsünün her biri glikoz molekülü başına 2 ATP verdiğinden, en azından ideal koşullar altında salınan enerjinin toplamda 34 + 2 + 2 = 38 ATP olması durumunda toplam miktardır.

Elektron taşıma zincirinde, protonların iç mitokondriyal zarı geçebileceği ve daha sonra dış mitokondriyal zar arasındaki boşluğa girmesi için üç farklı nokta ve dört farklı moleküler kompleks (I, II, III ve IV) oluşturur. zincirin fiziksel bağlantı noktaları.

Elektron taşıma zinciri oksijen gerektirir çünkü O₂ zincirdeki son elektron çifti alıcısı olarak görev yapar. Oksijen yoksa, zincirdeki reaksiyonlar hızla durur çünkü elektronların "akış aşağı" akışı durur; gidecek hiçbir yerleri yok. Elektron taşıma zincirini felç edebilen maddeler arasında siyanür (CN^-). Bu yüzden cinayet şovlarında ya da casus filmlerinde ölümcül bir zehir olarak kullanılan siyanür görmüş olabilirsiniz; Yeterli dozlarda verildiğinde, alıcı içindeki aerobik solunum durur ve onunla birlikte yaşamın kendisi.

Bitkilerde Fotosentez ve Aerobik Solunum

Bitkilerin, karbondioksitten oksijen oluşturmak için fotosenteze tabi tutulduğu, hayvanların oksijenden karbon dioksit üretmek için solunum kullandığı, böylece temiz bir ekosistem genelinde tamamlayıcı bir dengenin korunmasına yardımcı olduğu varsayılmaktadır. Bu, yüzeyde doğru olsa da yanıltıcıdır, çünkü bitkiler hem fotosentez hem de aerobik solunumdan yararlanırlar.

Bitkiler yiyemedikleri için yiyeceklerini yutmak yerine yemeliler. Bu, organellerde gerçekleşen bir dizi reaksiyon olan fotosentezin kloroplast olarak adlandırılmadığı bir gerçektir. Güneş ışığı, CO₂ Bitki hücresinin içi, mitokondride elektron taşıma zincirine benzeyen bir dizi adımda kloroplastların içindeki glikoza birleştirilir. Glikoz daha sonra kloroplasttan salınır; Çoğunlukla bitkinin yapısal bir kısmı haline gelirse, ancak bazıları glikolize uğrar ve daha sonra bitki hücresi mitokondriye girdikten sonra aerobik solunumun geri kalan kısmında ilerler.