Ποια είναι τα διαφορετικά βήματα στην κυτταρική αναπνοή;

Εξ ορισμού, η κυτταρική αναπνοή είναι το σύνολο των καταβολικών οδών που διασπούν τα θρεπτικά συστατικά που καταναλώνουμε σε χρησιμοποιήσιμες μορφές χημικής ενέργειας (ATP). Η κυτταρική αναπνοή μπορεί να συμβεί και με ή χωρίς την παρουσία οξυγόνου και αυτές οι δύο κύριες μορφές αναφέρονται ως αερόβια και αναερόβια αναπνοή, αντίστοιχα

Όλοι γνωρίζουν ότι τα τρόφιμα είναι η κύρια πηγή ενέργειας μας σε μακροσκοπική κλίμακα. τρώτε μια ορισμένη ισορροπία πρωτεϊνών, λιπών και υδατανθράκων και το σώμα σας χρησιμοποιεί αυτά τα βασικά συστατικά για τις αμέτρητες μεταβολικές ανάγκες του σώματος. Ωστόσο, όταν φτάσετε στο μικροσκοπικό ή κυτταρικό επίπεδο, τα πράγματα γίνονται λίγο πιο περίπλοκα. Η διάσπαση των θρεπτικών ουσιών που καταναλώνουμε και η μετατροπή σε χημική ενέργεια συμβαίνει σε μια διαδικασία που ονομάζεται κυτταρική αναπνοή, μια από τις βασικές μεταβολικές οδούς που χρειαζόμαστε για να επιβιώσουμε!

Τι είναι η κυτταρική αναπνοή;

Εξ ορισμού, η κυτταρική αναπνοή είναι το σύνολο των καταβολικών οδών που διασπούν τα θρεπτικά συστατικά που καταναλώνουμε σε χρησιμοποιήσιμες μορφές χημικής ενέργειας (ATP). Η κυτταρική αναπνοή μπορεί να συμβεί τόσο με ή χωρίς την παρουσία οξυγόνου, και αυτές οι δύο κύριες μορφές αναφέρονται ως αερόβια και αναερόβια αναπνοή, αντίστοιχα. Υπάρχουν πολλές βασικές διαφορές μεταξύ των δύο, κυρίως ότι η αερόβια αναπνοή είναι μια πολύ πιο εξελιγμένη διαδικασία με σημαντικά υψηλότερη απόδοση ATP.

Αερόβια αναπνοή

Υπάρχουν τρία κύρια στάδια αερόβιας αναπνοής - γλυκόλυση, ο κύκλος του Krebs και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων - καθένα από τα οποία αξίζει ένα ολόκληρο άρθρο μόνο του, αλλά όταν εξετάζουμε τη συνολική διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής, θα εξετάσουμε μόνο αυτά τα στάδια σε ένα κάπως βασικό επίπεδο, αφήνοντας έξω τις συγκεκριμένες λεπτομέρειες κάθε χημικής αντίδρασης σε κάθε στάδιο.

Γλυκόλυση

Αυτό το πρώτο βήμα στη διαδικασία της αερόβιας αναπνοής συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου και είναι ένα σημαντικό σημείο εκκίνησης για τις υπόλοιπες διεργασίες. Στη γλυκόλυση, ένα μόριο γλυκόζης μετατρέπεται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού άλατος κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης δέκα σταδίων που περιλαμβάνει διαφορετικά ένζυμα σε κάθε στάδιο. Επιπλέον, η γλυκόλυση απαιτεί δύο μόρια δινουκλεοτιδίου νικοτιναμίδης αδενίνης (NAD+), δύο μόρια ανόργανου φωσφόρου και δύο μόρια ADP (διφωσφορική αδενίνη). Τα πρόσθετα προϊόντα από την αντίδραση περιλαμβάνουν δύο μόρια ATP 2 μόρια NADH (δινουκλεοτίδιο ανηγμένης αδενίνης νικοτιναμίδης), 2 μόρια νερού, 2 μόρια υδρογόνου και θερμότητα!

(Φωτογραφία:YassineMrabet/Wikimedia Commons)

Η θερμότητα και το νερό θεωρούνται απόβλητα προϊόντα, το ATP είναι μια άμεσα χρησιμοποιήσιμη μορφή κυτταρικής ενέργειας, το NADH θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αργότερα στη διαδικασία αερόβιας αναπνοής και το πυροσταφυλικό άλας ενεργεί ως το κύριο υπόστρωμα στο επόμενο βήμα της διαδικασίας.

Κύκλος Krebs (Κύκλος κιτρικού οξέος)

Παρόμοια με τη διαδικασία της γλυκόλυσης, υπάρχουν πολλά μεμονωμένα στάδια του Κύκλου του Krebs, οι λεπτομέρειες των οποίων είναι πέρα ​​από το πεδίο εφαρμογής αυτού του άρθρου. Βασικά, ο κύκλος του Krebs είναι ένα στάδιο κυτταρικής αναπνοής που λαμβάνει χώρα στα μιτοχόνδρια παρουσία οξυγόνου, σε αντίθεση με τη γλυκόλυση, η οποία συνέβη στο κυτταρόπλασμα και μπορεί να συμβεί χωρίς να υπάρχει οξυγόνο.

Το τελικό προϊόν της γλυκόλυσης, δύο μόρια πυροσταφυλικού, θα εισέλθει στον κύκλο του Krebs στη μήτρα των μιτοχονδρίων και τελικά θα μετατραπεί σε δύο μόρια ATP, 8 NADH και 2 μόρια FADH2. Αυτά τα δύο τελευταία μόρια είναι φορείς ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας και θα μπορούν να παράγουν σημαντική ποσότητα χημικής ενέργειας στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

(Φωτογραφία:Wikimedia Commons)

Στην πραγματική λειτουργία του Κύκλου του Krebs, ωστόσο, το πυροσταφυλικό από τη γλυκόλυση πηγαίνει σε ένα ενδιαφέρον ταξίδι, αν και λίγο μπερδεμένο. Πριν το πυροσταφυλικό άλας εισέλθει στον κύκλο, θα μετατραπεί με ένα ένζυμο σε ακετυλο-CoA, ένα μόριο δύο άνθρακα συνδεδεμένο με ένα συνένζυμο. Αυτή η πρώτη αντίδραση έχει ως αποτέλεσμα την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου και μιας ομάδας άνθρακα και την παραγωγή ενός μορίου NADH. Αυτό το ακετυλο-CoA συνδέεται με το οξαλοξικό, δημιουργώντας ένα μόριο έξι άνθρακα (κιτρικό οξύ) και απελευθερώνοντας το συνένζυμο.

Καθώς ο κύκλος συνεχίζεται, επιπλέον μόρια διοξειδίου του άνθρακα αφαιρούνται από το κιτρικό οξύ, δημιουργώντας ένα επιπλέον μόριο NADH κάθε φορά. Γύρω στα μισά του κύκλου, δημιουργούνται άλλα 2 μόρια ATP και στη συνέχεια ξεκινά το αναγεννητικό στάδιο του κύκλου. Σε αυτές τις τελικές αντιδράσεις, το μόριο τεσσάρων ατόμων άνθρακα, το οξαλοξικό, πρέπει να επανασχηματιστεί για να συνεχιστεί η εκ νέου έναρξη του κύκλου και αυτή η αναγεννητική διαδικασία δημιουργεί δύο μόρια FADH2.

Τα μόρια NADH και FADHs θα προχωρήσουν στο τελικό στάδιο της κυτταρικής αναπνοής, ενώ το ATP θα γίνει διαθέσιμο για χρήση από το κύτταρο.

Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων

Αυτό είναι αναμφισβήτητα το πιο δροσερό και μοναδικό στάδιο της κυτταρικής αναπνοής και λαμβάνει χώρα κοντά στη μεμβράνη των μιτοχονδρίων, σε ένα μεγάλο πρωτεϊνικό σύμπλεγμα που λειτουργεί ως εργοστάσιο ATP. Μία από τις πρωταρχικές λειτουργίες της μεμβράνης των μιτοχονδρίων είναι να εμποδίζει τη ροή πρωτονίων στο οργανίδιο, το οποίο δημιουργεί μια ισχυρή κλίση θετικού φορτίου και στις δύο πλευρές αυτής της μεμβράνης. Όπως μερικοί από εσάς ίσως γνωρίζετε, όταν υπάρχει μια κλίση φόρτισης, υπάρχει η δυνατότητα να γίνει δουλειά.

Στην περίπτωση της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, υπάρχουν τέσσερα κύρια σύμπλοκα πρωτονίων που γεφυρώνουν τη μεμβράνη των μιτοχονδρίων, απλά τα νούμερα 1, 2, 3 και 4. Όλα αυτά τα πρωτεϊνικά σύμπλοκα αντλούν άμεσα ή έμμεσα πρωτόνια από τη μιτοχονδριακή μήτρα στο εξωκυτταρικό υγρό. Η ενέργεια που απαιτείται για τη λειτουργία αυτών των κρίσιμων αντλιών προέρχεται από την ενέργεια που απελευθερώνεται κατά τη μεταφορά ηλεκτρονίων μέσω μιας σειράς καταρρακτών χημικών αντιδράσεων.

Το NADH που παρήχθη στη γλυκόλυση και ο κύκλος του Krebs θα είναι η κύρια πηγή αυτών των ηλεκτρονίων. Τα μόρια NADH ρίχνουν τα ηλεκτρόνια τους στο πρωτεϊνικό σύμπλεγμα 1, τα οποία στη συνέχεια μετακινούνται στο πρωτεϊνικό σύμπλεγμα 3 μέσω του συνενζύμου Q. Τα μόρια FADH2 από τον κύκλο του Krebs εναποθέτουν τα ηλεκτρόνια τους στο πρωτεϊνικό σύμπλεγμα 2. Το ίδιο συνένζυμο Q μεταφέρει αυτά τα ηλεκτρόνια στο πρωτεϊνικό σύμπλεγμα 3. Το κυτόχρωμα C μεταφέρει 1 ηλεκτρόνιο από κάθε συνένζυμο Q στο πρωτεϊνικό σύμπλεγμα 4, ενώ το άλλο ηλεκτρόνιο μπορεί να ανακυκλωθεί. Όταν τα ηλεκτρόνια εγκαταλείπουν το πρωτεϊνικό σύμπλεγμα 4, το οξυγόνο λειτουργεί ως ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων και παράγει νερό.

Ως αποτέλεσμα της βαθμίδας πρωτονίων που διατηρείται σε αυτό το τελικό βήμα της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, περισσότερα πρωτόνια πρέπει συνεχώς να αντλούνται στη μεμβράνη. Αυτό συμβαίνει μέσω της συνθάσης ATP, του τελευταίου εργοστασίου της αναπνοής. Όταν αυτό το πρωτεϊνικό σύμπλεγμα δεσμεύεται, η ροή πρωτονίων πάνω από τη βαθμίδα θα προκαλέσει τη δημιουργία πρόσθετου ATP.

Το καθαρό προϊόν της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων (από ένα μόριο γλυκόζης) είναι 32 μόρια ATP, καθώς και έξι μόρια νερού.

Συνδυάζοντας αυτό με τα προηγούμενα προϊόντα των άλλων σταδίων αναπνοής, θα διαπιστώσετε ότι ένα μόνο μόριο γλυκόζης που εισέρχεται στο κύτταρο, παρουσία οξυγόνου, θα παράγει36 ATP, 6 μόρια νερού και 6 μόρια διοξειδίου του άνθρακα !

Αναερόβια αναπνοή

Ελλείψει οξυγόνου, υπάρχει μια άλλη μορφή κυτταρικής αναπνοής που είναι διαθέσιμη στους οργανισμούς - η αναερόβια αναπνοή. Εάν δεν υπάρχει αρκετό διαθέσιμο οξυγόνο για τις ενεργειακές απαιτήσεις – όπως όταν τρέχετε σε μαραθώνιο ή υποβάλλεστε σε έντονη προσπάθεια – το σώμα σας εξακολουθεί να είναι σε θέση να παράγει μικρές ποσότητες ενέργειας χωρίς οξυγόνο ως δέκτης ηλεκτρονίων.

Χωρίς οξυγόνο, η αναερόβια αναπνοή είναι σε θέση να μετατρέψει τη γλυκόζη σε γαλακτικό οξύ και να απελευθερώσει μια μικρή ποσότητα ενέργειας – 2 ATP. Σκεφτείτε ξανά το βήμα γλυκόλυσης της αερόβιας αναπνοής. η διαδικασία είναι η ίδια για την αναερόβια αναπνοή, με τη διαφορά ότι το τελικό προϊόν δεν είναι πυροσταφυλικό, αλλά γαλακτικό. Ωστόσο, το γαλακτικό οξύ είναι στην πραγματικότητα μια δηλητηριώδης ένωση στο σώμα, καθώς θα επηρεάσει αρνητικά τη λειτουργία των μυών εάν συσσωρευτεί υπερβολική ποσότητα (ως προϊόν αναερόβιας αναπνοής).

Η συσσώρευση γαλακτικού οξέος είναι αυτό που προκαλεί κράμπες κατά τη διάρκεια έντονης άσκησης και αυτή η ενόχληση μπορεί να μετριαστεί μόνο με την εκ νέου οξυγόνωση του σώματός σας, η οποία θα επιτρέψει στην αερόβια αναπνοή να ξεκινήσει και θα διεγείρει τη διάσπαση του γαλακτικού οξέος σε διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Αυτός είναι επίσης ο λόγος που το σώμα σας έχει ένα όριο στο πόσο μακριά μπορεί να κάνει σπριντ!

Η αερόβια αναπνοή είναι πολύ πιο αποτελεσματική και θα παράγει πολύ περισσότερη ενέργεια από το ίδιο μόριο γλυκόζης. Η αναερόβια αναπνοή παράγει 2 ATP έναντι 36 ATP στην αερόβια αναπνοή, επομένως η διαφορά είναι ξεκάθαρη.

Μια τελευταία λέξη

Ενώ η εσωτερική λειτουργία της κυτταρικής αναπνοής μπορεί να φαίνεται λίγο μπερδεμένη, η κατανόηση των πραγμάτων σε μικροκοσμική και μακροκοσμική κλίμακα είναι εξαιρετικά σημαντική! Αυτό το άρθρο εξακολουθεί να απλοποιεί την πολυπλοκότητα αυτών των σταδίων αναπνοής. υπάρχουν περισσότερα σε βάθος άρθρα σχετικά με τη γλυκόλυση, τον κύκλο του Krebs και την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων αλλού σε αυτόν τον ιστότοπο!