Αερόβια Αναπνοή:Ορισμός &Τύποι

Αερόβια αναπνοή

Όλοι οι οργανισμοί χρειάζονται ενέργεια για να πραγματοποιήσουν διάφορες δραστηριότητες. Η αναπνοή είναι μια σημαντική χημική διαδικασία που απελευθερώνει την ενέργεια που απαιτείται για τις διαδικασίες της ζωής. Μπορεί να εμφανιστεί τόσο παρουσία όσο και απουσία οξυγόνου. Έτσι, ανάλογα με τη διαθεσιμότητα οξυγόνου, η αναπνοή μπορεί να είναι αερόβια ή αναερόβια. Το παρακάτω άρθρο εξηγεί την αερόβια αναπνοή, τη σημασία της, τον τόπο εμφάνισης και την εξίσωση αερόβιας αναπνοής.

Τι είναι η αερόβια αναπνοή;

Η αναπνοή που περιλαμβάνει μοριακή πρόσληψη οξυγόνου λέγεται ότι είναι αερόβια αναπνοή. Η εξίσωση αερόβιας αναπνοής μπορεί να γραφτεί ως εξής:

C6 H12 O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2 O + 673 kcal

Διαφορετικοί τύποι αεροβίων

Οι οργανισμοί που εξαρτώνται από το οξυγόνο αναφέρονται ως αερόβια. Οι διαφορετικοί τύποι αερόβιων είναι οι εξής:

• Υποχρέωση Aerobes :Απαιτούν αυστηρά ελεύθερο οξυγόνο για να επιβιώσουν. Ενώ υποβάλλονται σε κυτταρική αναπνοή, τα υποχρεωτικά αερόβια χρησιμοποιούν οξυγόνο για το μεταβολισμό και διασπούν το σάκχαρο για να παράγουν ενέργεια. Στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, το οξυγόνο χρησιμεύει ως τερματικός δέκτης ηλεκτρονίων. Παραδείγματα υποχρεωτικών αερόβιων είναι μύκητες και βακτήρια, συμπεριλαμβανομένων των Mycobacterium tuberculosis, Bacillus, Nocardia asteroides και Pseudomonas aeruginosa.
• Προαιρετικά αναερόβια :Συνθέτουν ενέργεια μέσω αερόβιας αναπνοής παρουσία οξυγόνου. Ωστόσο, μπορούν επίσης να στραφούν στη διαδικασία ζύμωσης απουσία οξυγόνου. Παραδείγματα προαιρετικών αναερόβιων είναι βακτήρια όπως Staphylococcus spp, Escherichia coli, Salmonella, Listeria spp και ορισμένοι ευκαρυωτικοί οργανισμοί όπως ο Saccharomyces cerevisiae.
• Μικροαερόφιλα: Απαιτούν οξυγόνο για την επιβίωση, αλλά περιβάλλοντα που περιέχουν χαμηλότερα επίπεδα διοξυγόνου από αυτά που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα, π.χ. <21% O₂ . Παραδείγματα μικροαερόφιλων περιλαμβάνουν το Campylobacter και το Helicobacter.

Μηχανισμός αερόβιας κυτταρικής αναπνοής

Τα βήματα που εμπλέκονται στην αερόβια κυτταρική αναπνοή είναι τα εξής:

• Γλυκόλυση
• Οξείδωση πυροσταφυλικού οξέος (Σχηματισμός συνενζύμου ακετυλίου Α)
• Κύκλος Krebs
• Μεταφορά ηλεκτρονίων

Γλυκόλυση

• Είναι το πρώτο βήμα στην αερόβια αναπνοή που λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα.
• Δεν απαιτεί οξυγόνο και είναι μια κοινή γραμμική οδός τόσο για αερόβια όσο και για αναερόβια αναπνοή.
• Το υπόστρωμα που χρησιμοποιείται είναι γλυκόζη (μια ένωση 6 άνθρακα).
• Το τελικό προϊόν είναι δύο μόρια πυρουβικού οξέος (ενώσεις 3 άνθρακα το καθένα), 2 μόρια NADH και ένα H. 
• Δεν παράγει διοξείδιο του άνθρακα.
• Η γλυκόλυση καταναλώνει 2 μόρια ATP και παράγει 4. Επομένως, υπάρχει καθαρό κέρδος 2 μορίων ATP.

Διαδρομή γλυκόλυσης

Βήμα 1:Πρώτη φωσφορυλίωση

Η γλυκόζη μετατρέπεται σε 6-φωσφορική γλυκόζη παρουσία ΑΤΡ, Mg και εξοκινάσης. Η ATP γίνεται πολυπόθητη για την ADP.

Βήμα 2:Ισομερισμός

Η 6-φωσφορική γλυκόζη ισομερίζεται σε 6-φωσφορική φρουκτόζη, η οποία είναι ένα ισομερές του G-6-P. Η αντίδραση λαμβάνει χώρα παρουσία ισομεράσης φωσφοεξόζης.

Βήμα 3:Δεύτερη φωσφορυλίωση

Η φρουκτόζη-6-φωσφορική μετατρέπεται σε φρουκτόζη-1,6-διφωσφορική παρουσία Mg και του ενζύμου φωσφοφρουκτοκινάση. Η ATP γίνεται πολυπόθητη στην ADP.

Βήμα 4:Διάσπαση

Το ένζυμο αλδολάση βοηθά στη διάσπαση της 1,6-διφωσφορικής φρουκτόζης σε φωσφορική διυδροξυακετόνη και 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη. Και οι δύο αυτές ενώσεις είναι αλληλομετατρέψιμες παρουσία ισομεράσης φωσφοτριόζης.

Βήμα 5:Φωσφορυλίωση και οξειδωτική αφυδρογόνωση

Η 3-φωσφορική γλυκεραλδεΰδη μετατρέπεται σε 1,3-διφωσφογλυκερικό οξύ παρουσία NAD, ενζύμου γλυκεραλδεΰδη-3-φωσφορική αφυδρογονάση και H₃ PO₄ . Οι ΝΑΔ μετατράπηκαν σε NADH.

Βήμα 6:Πρώτη γενιά ATP

Το 1,3-διφωσφογλυκερικό οξύ αλλάζει σε 3-φωσφογλυκερικό οξύ με τη βοήθεια των ενζύμων Mg και φωσφογλυκεροκινάσης και δημιουργείται το πρώτο μόριο ATP.

Βήμα 7:Ισομερισμός

Τα ένζυμα φωσφογλυκερομουτάση και ιόν μαγνησίου βοηθούν στη μετατροπή του 3-φωσφογλυκερικού οξέος σε 2-φωσφογλυκερικό οξύ.

Βήμα 8:Αφυδάτωση

Η ενολάση και το Mg μετατρέπουν το 2-φωσφογλυκερικό οξύ σε 2-φωσφοενολικό πυροσταφυλικό οξύ, απελευθερώνοντας ένα μόριο νερού.

Βήμα 9:Δεύτερη γενιά ATP

Στο τελικό στάδιο, το πυροσταφυλικό οξύ 2-φωσφοενόλης μετατρέπεται σε πυροσταφυλικό οξύ παρουσία πυροσταφυλικής κινάσης και ιόντος μαγνησίου. Το ADP μετατρέπεται σε ATP.

Οξείδωση πυροσταφυλικού οξέος

Υπό αερόβιες συνθήκες, το πυροσταφυλικό οξύ οξειδώνεται μέσω του κύκλου Krebs. Αλλά πριν από την είσοδο στον κύκλο, το δεύτερο βήμα περιλαμβάνει το σχηματισμό του ακετυλοσυνενζύμου Α. Η σειρά των βημάτων που εμπλέκονται στη μετατροπή είναι η εξής:

• Σχηματισμός συμπλόκου μεταξύ πυροφωσφορικής θειαμίνης και πυροσταφυλικού οξέος.
• Αποκαρβοξυλίωση του πυροσταφυλικού οξέος.
• Η μονάδα ακεταλδεΰδης που απομένει από τη διαδικασία αποκαρβοξυλίωσης συνδυάζεται με τον συμπαράγοντα λιποϊκό οξύ και σχηματίζει ένα σύμπλοκο ακετυλ-λιποϊκού οξέος.
• Η ακετυλομάδα απελευθερώνεται από το λιποϊκό οξύ στο CoA για να σχηματίσει ακετυλο CoA.

Η ακόλουθη εξίσωση μπορεί να αναπαριστά την αντίδραση:  

Πυρουβικό οξύ + CoA + NAD → Ακετυλικό CoA + CO2 + NADH + H Παρουσία πολυενζυμικού συμπλέγματος TPP, λιποϊκού οξέος και πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης.

Κύκλος Krebs

• Ονομάζεται επίσης κύκλος TCA και κύκλος κιτρικού οξέος.
• Πραγματοποιείται στα μιτοχόνδρια.
• Εμφανίζεται μόνο στην αερόβια αναπνοή.
• Η κυκλική οδός απαιτεί οξυγόνο στη διαδικασία.
• Το υπόστρωμα που χρησιμοποιείται είναι το Acetyl CoA.
• Το τελικό προϊόν είναι οξαλοξικό οξύ (ΟΑΑ) και διοξείδιο του άνθρακα.
• Δεν καταναλώνει ATP αλλά παράγει 2 ATP, 2 NADH, 2 FADH και ένα H από 2 μόρια πυροσταφυλικού οξέος.

Διαδρομή κύκλου Krebs

Βήμα 1:Σχηματισμός κιτρικού οξέος

Το πρώτο βήμα περιλαμβάνει τον σχηματισμό κιτρικού οξέος με συνδυασμό Ακετυλο CoA και οξαλοξικού οξέος παρουσία κιτρικής συνθάσης.

Βήμα 2:Ισομερισμός

Το κιτρικό οξύ μετατρέπεται στο ισομερές του ισοκιτρικό οξύ παρουσία ακονιτάσης.

Βήμα 3:Αποκαρβοξυλίωση και αφυδρογόνωση

Το ισοσιτρικό οξύ μετατρέπεται σε α-κετογλουταρικό οξύ και ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα απελευθερώνεται καθώς το α-κετογλουταρικό οξύ είναι μια ένωση 5 άνθρακα. Το NAD και η ισοκιτρική αφυδρογονάση καταλύουν το στάδιο.

Βήμα 4:Αποκαρβοξυλίωση 

Μια ένωση 4-ανθράκων ηλεκτρυλ CoA σχηματίζεται παρουσία α-κετογλουταρικής αφυδρογονάσης. Σε αυτό το βήμα απελευθερώνεται ένα μόριο διοξειδίου του άνθρακα και NADH.

Βήμα 5:Αφυδρογόνωση 

Το CoA απομακρύνεται από το ηλεκτρικό CoA για να σχηματίσει ηλεκτρικό. Το ΑΕΠ μετατρέπεται σε GTP και η συνθετάση σουκινυλ CoA καταλύει την αντίδραση.

Βήμα 6:Αφυδρογόνωση 

Το ηλεκτρικό μετατρέπεται τώρα σε φουμαρικό με τη βοήθεια του ενζύμου ηλεκτρική αφυδρογονάση. Το βήμα περιλαμβάνει επίσης τη μείωση του FAD σε FADH₂ .

Βήμα 7:Ενυδάτωση 

Η προσθήκη του H₂ Το O αλλάζει το φουμαρικό σε μηλικό παρουσία φουμαράσης.

Βήμα 8:Αφυδρογόνωση 

Το ένζυμο μηλική αφυδρογονάση μετατρέπει το μηλικό σε οξαλοξικό ενώ χρησιμοποιεί NAD και απελευθερώνει NADH και H.

Σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονικών (ETS)

Το ETS είναι μια αλυσίδα φορέων που περιέχει NAD, FAD, conex]zyme Q και κυτοχρώματα που εντοπίζονται στα σωματίδια F1 των μιτοχονδρίων. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια ρέουν από υψηλότερα σε χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας, κάθε βήμα του ETS μειώνει το επίπεδο ενέργειας των ηλεκτρονίων. Η διαφορά ενέργειας μετατρέπεται σε φωσφορικό δεσμό με μετατροπή του ADP σε ATP. Η οξείδωση του ανηγμένου συνενζύμου Q απελευθερώνει ιόντα υδρογόνου. Τα ηλεκτρόνια περνούν κατά μήκος της σειράς των κυτοχρωμάτων και για κάθε ζεύγος ηλεκτρονίων που περνούν, σχηματίζονται τρία μόρια ATP.

• Χρησιμοποιεί 10 μόρια NADH και δίνει 10 μόρια NAD.
• Το 2 FADH₂ τα μόρια μετατρέπονται σε 2 μόρια FAD.
• Η διαδικασία απελευθερώνει επίσης 12 H₂ Ω μόρια.
• 34 ADP μετατρέπεται σε 34 ATP.
• Η διαδικασία σύνθεσης του ATP μέσω ETS, όπου το οξυγόνο είναι ο τελικός δέκτης, είναι γνωστή ως οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Πώς διαφέρει η αερόβια αναπνοή από την αναερόβια αναπνοή;

Ο παρακάτω πίνακας απαριθμεί τις βασικές διαφορές μεταξύ αερόβιας και αναερόβιας αναπνοής.

Χαρακτηριστικά	Αερόβια αναπνοή	Αναερόβια αναπνοή
Οξυγόνο	Περιλαμβάνει την πρόσληψη μοριακού οξυγόνου.	Δεν περιλαμβάνει την πρόσληψη μοριακού οξυγόνου.
Αποικοδόμηση υποστρώματος	Πλήρης οξείδωση του υποστρώματος.	Ατελής αποικοδόμηση του υποστρώματος.
Τελικά προϊόντα	διοξείδιο του άνθρακα Νερό Ενέργεια	διοξείδιο του άνθρακα  Οργανικές ενώσεις όπως το γαλακτικό οξύ και η αιθυλική αλκοόλη Ενέργεια
Μόρια ενέργειας	38 μόρια ATP παράγονται από ένα mole γλυκόζης.	2 ATP παράγονται από ένα mole γλυκόζης.
Η τοποθεσία εμφάνισης σε ένα  κελί	Εμφανίζεται τόσο στο κυτταρόπλασμα όσο και στα μιτοχόνδρια.	Εμφανίζεται μόνο στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου.
Εξίσωση	Εξίσωση αερόβιας αναπνοής:C6 H12 06 + 6O2 → 6CO2 + 6H2 O +673 kcal	Εξίσωση αναερόβιας αναπνοής: C6 H12 06 + 6O2 →2C2 H5 OH +  6CO2 + 21 kcal

Συμπέρασμα

Η αερόβια κυτταρική αναπνοή είναι μια σειρά από σημαντικές διεργασίες που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια των οργανικών ουσιών σε μεταβολική ενέργεια που μπορούν να χρησιμοποιήσουν τα ζωντανά κύτταρα. Παίρνει γλυκόζη ως αρχικό υπόστρωμα και οξυγόνο και δίνει ενεργειακά μόρια ATP, νερό και διοξείδιο του άνθρακα. Εκτός από την παροχή ενέργειας, το CO₂ που απελευθερώνεται κατά τη διαδικασία βοηθά στη διατήρηση της ισορροπίας του διοξειδίου του άνθρακα στη φύση.

Συχνές ερωτήσεις

1. Ποια είναι η σημασία του κύκλου Krebs στην αερόβια κυτταρική αναπνοή;

Α. Ο κύκλος του Krebs παράγει άτομα υδρογόνου που αποδίδουν τελικά το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που προέρχεται από την οξείδωση ενός μορίου γλυκόζης. Επιπλέον, είναι μια πολύτιμη πηγή ενδιάμεσων προϊόντων που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή άλλων ουσιών όπως λιπαρά οξέα, αμινοξέα και καροτενοειδή.

2. Ποια ένζυμα χρησιμοποιούνται στη γλυκόλυση;

Α. Τα ακόλουθα ένζυμα χρησιμοποιούνται στη διαδικασία της γλυκόλυσης:

• Εξοκινάση
• Φωσφοεξοϊσομεράση
• Φωσφοφρουκτοκινάση
• 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη 
• Αλδολάση
• ισομεράση φωσφοτριόζης
• αφυδρογονάση 3-φωσφογλυκεραλδεΰδης
• Φωσφογλυκεροκινάση
• Φωσφογλυκερομουτάση
• Ενολάση
• πυροσταφυλική κινάση

3. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της γλυκόλυσης και του κύκλου Krebs;

Α. Η γλυκόλυση είναι μια αναερόβια διαδικασία που καταναλώνει δύο μόρια ATP και καταλήγει σε τέσσερα μόρια ATP. Το τελικό προϊόν του είναι το πυροσταφυλικό άλας και λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα. Ο κύκλος του Krebs είναι μια αερόβια διαδικασία και το τελικό προϊόν είναι το οξαλοξικό οξύ. Δεν καταναλώνει ATP αλλά παρέχει δύο μόρια ATP. Ο κύκλος του Krebs συμβαίνει στα μιτοχόνδρια. Ενώ η γλυκόλυση έχει μια γραμμική οδό, ο κύκλος του Krebs έχει μια κυκλική οδό.