Respirația aerobă - biologie

Cât de fierbinte este prea fierbinte pentru viața adâncă sub fundul oceanului?

Antibiotice din bacterii

Migrația celulară: funcția nou descoperită a unei proteine cunoscute

Busolă moleculară pentru alinierea celulelor

Ceea ce face ca frunzele să îmbătrânească toamna

Democrația bibilicilor vultur

Mediul lui Ekembo: Oamenii au trăit și în peisaje deschise

| Genetica | Agricultură, silvicultură și creșterea animalelor

Soiul de grâu a fost creat prin traversarea ierburilor sălbatice

Cât de fierbinte este prea fierbinte pentru viața adâncă sub fundul oceanului?

Respirație aerobă

Respirație celulară este o redirecționare către acest articol. Vezi și respirația celulară (comunicații celulare).

Ontologia genică

Mamă
Respirație celulară
Subordonat
Lanț respirator Respirație aerobă cu donator de electroni: nitrit Arsenitul amoniu Monoxid de carbon Ionii de fier hidrogen Sulf/sulfat
QuickGO

Cand respirație aerobă (Respirație celulară, respirație internă) sunt procese metabolice din celulele ființelor vii, în care sunt oxidați atomii de hidrogen care apar prin diferite procese metabolice oxidative și sunt legați de purtători speciali. Oxigenul molecular, elementar (O2) servește ca agent oxidant, care este redus la apă. Scopul respirației aerobe este de a produce energie sub formă de adenozin trifosfat (ATP). Desemnarea respirație aerobă este utilizat în special pentru procesele biochimice ale lanțului respirator din membrana interioară a mitocondriilor, la capătul căruia se sintetizează ATP.

Alte forme de respirație - în sensul schimbului de gaze între ființe vii - sunt rezumate sub termenul de respirație externă.

Prezentare generală

Următorul arată utilizarea energiei din oxidarea D-glucozei (zahărului din struguri) de către celule. Celulele pot obține, de asemenea, energie prin oxidarea altor substanțe, dar oxidarea glucozei este cea mai frecventă sursă de energie.

Celulele absorb glucoza pentru aprovizionarea cu energie. Acesta este complet oxidat de eucariote în citoplasmă și mitocondrii în dioxid de carbon și apă. Ecuația sumă este:

$ \ mathrmO_6 + 6 \ O_2 \ longrightarrow 6 \ CO_2 + 6 \ H_2O> $ O moleculă de glucoză și șase molecule de oxigen devin șase molecule de dioxid de carbon și șase molecule de apă.

Cu toate acestea, modificarea entalpiei libere în condiții standard la pH = 7 pentru această reacție este de ΔG0 '= -2880 kJ per mol de glucoză [1]. Dacă condițiile reale se abat de la aceste condiții standard, cantitatea de modificare a entalpiei libere este, de asemenea, diferită; se poate abate considerabil de la valoarea standard. În sistemele de viață, condițiile standard nu sunt de obicei date și se schimbă adesea în timpul conversiei substanțelor. Cantitatea de modificare a entalpiei libere în condiții standard oferă, prin urmare, doar o indicație a energiei eliberate în timpul unei conversii chimice la ființele vii.

În timpul acestei conversii chimice a substanțelor, atomii de hidrogen sunt separați de produșii de degradare ai moleculelor de glucoză într-o serie de etape de reacție complicate - inclusiv multe reacții redox - și transportați în mitocondrii cu ajutorul purtătorilor de hidrogen (nicotinamidă adenină dinucleotidă, NAD). Acolo atomii de hidrogen din lanțul respirator reacționează cu oxigenul pentru a forma apă (ocazional, nu destul de corect, denumită „reacție biologică oxihidrogenă”); moleculele de glucoză sunt în cele din urmă complet oxidate. La sfârșitul procesului de descompunere, celula folosește energia eliberată în timpul oxidării hidrogenului biologic pentru a obține compusul cu adenozină trifosfat cu conținut ridicat de energie (ATP). Acesta servește ca purtător de energie și depozit de energie pe termen scurt și este necesar ca sursă universală de energie pentru multe procese metabolice.

Ecuația de reacție cuprinzătoare pentru respirația celulară corespunde, citită de la dreapta la stânga, la ecuația de reacție pentru fotosinteza oxigenică.

Fluxul procesului

Respirația celulară este un proces în care substanțele cu energie ridicată sunt transformate în substanțe cu consum redus de energie. În cazul respirației celulare, molecula de glucoză C6H12O6 este oxidată în mare parte într-o serie lungă de etape pentru a forma corpuri C1 (CO2) și apă (H2O). Această defalcare poate fi împărțită în patru secțiuni:

glicoliză,
decarboxilarea oxidativă,
ciclul acidului citric și
oxidarea finală în lanțul respirator.

Bilanțul total al respirației celulare poate fi formulat după cum urmează:

$ \ mathrmO_6 + 6 \ O_2 \ longrightarrow 6 \ CO_2 + 6 \ H_2O> $ O moleculă de glucoză și șase molecule de oxigen devin șase molecule de dioxid de carbon și șase molecule de apă.

Glicoliza

Glicoliza (= descompunerea zahărului) are loc în citoplasmă. În timpul acestui proces, D-glucoza este divizată. Acest lucru se face prin dubla fosforilare, astfel încât se formează glucoză-6-fosfat, fructoză-6-fosfat și apoi fructoză-1,6-bisfosfat. Pentru aceste procese, 2 molecule de ATP sunt defosforilate la 2 molecule de ADP. Datorită fosforilării glucozei, aceasta se află acum în starea activată. Acest corp C6 este apoi împărțit în două corpuri C3, o moleculă de dihidroxiacetonă fosfat (DHAP) și o moleculă de gliceraldehidă-3-fosfat (GAP). Numai gliceraldehida-3-fosfatul este descompus în continuare, motiv pentru care DHAP este izomerizat în el.

O altă moleculă de fosfat anorganic este depusă și GAP este oxidată, prin care se formează acid gliceric-1,3-bifosfat (1,3bPG). Electronii sunt transferați la purtătorul de hidrogen NAD + (nicotinamidă adenină dinucleotidă). Într-o etapă suplimentară, un reziduu de fosfat (Pi) este transferat la ADP, astfel încât se formează ATP și 3-fosfat (3-PG) de acid gliceric. 3-PG se izomerizează în 2-fosfat de acid gliceric (2-PG). Fosfoenolpiruvatul (PEP) se formează din acesta prin divizarea apei. În această ultimă etapă a glicolizei, ultimul reziduu de fosfat este, de asemenea, transferat la ADP, creând piruvat și ATP. Pe drumul de la GAP la piruvat, două molecule de ATP se formează prin fosforilarea ADP pentru fiecare moleculă GAP.

Sold net al glicolizei:

Decarboxilarea oxidativă

Decarboxilarea oxidativă este un pas scurt, dar este esențială pentru etapa următoare. În eucariote are loc în matricea mitocondrială. Un mecanism de reacție în mai multe etape separă CO2 de piruvat (decarboxilare) și transferă 2 atomi de H la NAD + (reacție redox), iar acetatul rezultat este legat de coenzima A (CoA), astfel încât se formează acetil-CoA.

Echilibrul decarboxilării oxidative:

Ciclul acidului citric

Ciclul acidului citric, cunoscut și sub numele de ciclul acidului citric sau ciclul acidului tricarboxilic, poartă numele primului produs intermediar, citratul, anionul acidului citric.

În ultima etapă a ciclului acidului citric, se produce oxaloacetat. Aceasta se condensează cu acetil-CoA pentru a forma citrat - prin absorbția apei și despărțirea coenzimei A. Aceasta înseamnă că coenzima A este regenerată din nou. Apoi CO2 este separat și hidrogenul este preluat de purtătorul de hidrogen NAD (formarea NADH), astfel încât se formează α-cetoglutaratul. În pasul următor, CO2 este separat din nou cu ajutorul coenzimei A și hidrogenul este transferat în NAD. Următorii pași servesc doar la regenerarea oxaloacetatului, astfel încât ciclul să poată începe din nou. Acest lucru se face prin intermediul moleculelor succinil-CoA, succinat, fumarat, L-malat.

Echilibrul ciclului acidului citric (funcționează de două ori pe moleculă de glucoză, deoarece 2 moli de piruvat și, de asemenea, 2 moli de acetil-coenzimă A se formează din 1 mol de glucoză):

Finalizarea oxidării în lanțul respirator

Procesul anterior a avut ca rezultat 4 ATP. Cu toate acestea, cea mai mare parte a randamentului ATP este asigurată de lanțul respirator prin oxidarea atomilor de hidrogen legați de purtătorii de hidrogen NAD și FAD cu oxigen (O2). Sunt disponibile un total de 10 NADH (2 din glicoliză, 2 din decarboxilarea oxidativă și 6 (de 2 ori 3) din ciclul acidului citric) și 2 FADH2 (flavin adenină dinucleotidă), adică 24 de echivalenți de reducere.

Protonii curg apoi înapoi prin ATP sintaza legată de membrană din spațiul intermembranar în spațiul matricei. Această enzimă catalizează sinteza ATP dintr-un reziduu de fosfat și ADP. Energia de curgere conținută în puterea motorului protonului este utilizată pentru a se asigura că ATP sintaza eliberează ATP rezultat. Transportul unei molecule de ADP din citoplasmă în matrice sau, invers, transportul unei molecule de ATP în citoplasmă este catalizat de o translocază ATP/ADP. Cu toate acestea, pentru acest transport, gradientul de protoni este exploatat, astfel încât un proton este consumat pentru disponibilitatea ATP sau ADP. Aceasta înseamnă că cel puțin 4 protoni trebuie calculați pentru a genera o moleculă de ATP.

Oxidarea unui NADH produce astfel 2,5 ATP. Cele două NADH din glicoliză sunt o excepție. Acestea sunt încă în citoplasmă și trebuie mai întâi transportate în mitocondrii. Dacă acest lucru se face cu ajutorul navetei glicerol-3-fosfat, se obțin doar 1,5 ATP din fiecare dintre acestea. Deoarece 8 + 2 NADH sunt oxidați, se produce un total de 8 × 2,5 + 2 × 1,5 = 23 ATP. [2] Dacă, totuși, NADH citosolic este adus în matrice de către naveta malat-aspartat, 2,5 moli de ATP pot fi generați din acești echivalenți de reducere. Aceasta înseamnă că se poate genera maximum 10 × 2,5 = 25 ATP. [3]

Cu FADH2, procesul este practic același, cu excepția faptului că FADH2 eliberează electroni la un potențial redox mai mare și, prin urmare, la un nivel de energie mai scăzut. Electronii săi pot fi introduși în lanțul respirator doar la un nivel energetic inferior. Prin urmare, numai 4 protoni pot fi pompați din matrice în spațiul intermembranar cu ajutorul electronilor FADH2. Ca urmare, doar 1,5 ATP sunt formate cu un singur FADH2. Deoarece doi FADH2 sunt oxidați, se creează 3 ATP. [2]

Protonii și electronii NADH și FADH2 (24 în total) sunt oxidați la 12 H2O împreună cu 6 molecule de O2, care sunt transportate prin membrană în matricea mitocondrială. Purtătorii de electroni și hidrogen NAD + și FAD pot fi reduși din nou la NADH sau FADH2 luând fiecare 2 e - și 2 H + fiecare.

Echilibrul lanțului respirator:

Bilanțul energetic

Etapa Coenzimă produce ATP produce sursă de ATP

Etapa pregătitoare a glicolizei	−2	Energie utilizată pentru descompunerea glucozei în 2 molecule de gliceraldehidă-3-fosfat
Nivelul randamentului glicolizei	Al 4-lea	Fosforilarea lanțului de substrat
Nivelul randamentului glicolizei	2 NADH	3	Fosforilarea oxidativă
Decarboxilarea oxidativă	2 NADH	5	Fosforilarea oxidativă
Ciclul acidului citric	2	Fosforilarea lanțului de substrat (sub formă de GTP)
	6 NADH	15	Fosforilarea oxidativă
	2 FADH2	3	Fosforilarea oxidativă
Randament total		30 ATP [3] [2] - 32 ATP [3]	pe moleculă de glucoză (navetă glicerol-3-fosfat sau navetă malat-aspartat)

Deoarece procariotele nu au compartimente celulare, nu trebuie să cheltuiască energie pentru procesele de transport intracelular. Prin urmare, ele pot maxim 38 Fabricarea moleculelor de ATP dintr-o moleculă de glucoză. [3]