Κυτταρική αναπνοή – Τύποι, εξισώσεις και βήμα

Μια επισκόπηση

Η κυτταρική αναπνοή είναι μια σειρά μεταβολικών γεγονότων που συμβαίνουν μέσα στα κύτταρα για να μετατρέψουν τη βιολογική ενέργεια από τα τρόφιμα σε ένα χημικό μόριο γνωστό ως τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP). Ο μεταβολισμός είναι μια αλληλουχία χημικών γεγονότων που συμβαίνουν προκειμένου να διατηρηθούν ζωντανά τα κύτταρα ενός οργανισμού. Αυτά ταξινομούνται σε δύο τύπους:

• Ο καταβολισμός είναι η μέθοδος διάσπασης μορίων προκειμένου να ληφθεί ενέργεια.
• Ο αναβολισμός είναι η διαδικασία μέσω της οποίας συντίθενται όλα τα απαραίτητα μόρια για τα κύτταρα.

Ως αποτέλεσμα, η κυτταρική αναπνοή είναι μια καταβολική δραστηριότητα κατά την οποία μεγάλα μόρια διασπώνται σε μικρότερα, παρέχοντας ενέργεια στις κυτταρικές λειτουργίες καυσίμου.

Τι είναι η κυτταρική αναπνοή;

Ο μηχανισμός μέσω του οποίου τα κύτταρα μετατρέπουν τους υδατάνθρακες σε ενέργεια είναι γνωστός ως κυτταρική αναπνοή. Τα ζωντανά κύτταρα απαιτούν καύσιμο και έναν δέκτη ηλεκτρονίων για να οδηγήσουν τη χημική διαδικασία μετατροπής της ενέργειας σε χρησιμοποιήσιμη μορφή για την παραγωγή ATP και άλλων ειδών ενέργειας για την τροφοδοσία των κυτταρικών διεργασιών.

Τύποι κυτταρικής αναπνοής

• Αερόβια αναπνοή

Οι ευκαρυώτες υφίστανται κυτταρική αναπνοή στο οργανίδιο που ονομάζεται μιτοχόνδρια. Τα μιτοχόνδρια είναι ένα οργανίδιο που έχει σχεδιαστεί για να αποσυντίθεται σε υδατάνθρακες και να παράγει αποτελεσματικά ATP. Τα μιτοχόνδρια μερικές φορές περιγράφονται ως «η δύναμη του κυττάρου» λόγω της ικανότητάς τους να παράγουν επαρκείς ποσότητες ATP!

Αν και το οξυγόνο είναι ο πιο ισχυρός δέκτης ηλεκτρονίων που είναι γνωστός στη φύση, η αερόβια αναπνοή είναι εξαιρετικά αποτελεσματική. Το οξυγόνο «αγαπά» τα ηλεκτρόνια. Η αγάπη του για τα ηλεκτρόνια τα «τραβάει» μέσω της μιτοχονδριακής αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Η μοναδική αρχιτεκτονική των μιτοχονδρίων, η οποία φιλοξενεί όλα τα απαιτούμενα μόρια αντιδραστηρίων για την κυτταρική αναπνοή σε μια συμπαγή, δεσμευμένη στη μεμβράνη περιοχή εντός του κυττάρου, συμβάλλει επίσης στην υψηλή απόδοση της αερόβιας αναπνοής.

Τα περισσότερα ευκαρυωτικά κύτταρα μπορούν επίσης να κάνουν αναερόβια αναπνοή, όπως ζύμωση γαλακτικού οξέος, χωρίς οξυγόνο. Ωστόσο, αυτοί οι μηχανισμοί δεν παράγουν αρκετό ATP για να διατηρήσουν τις λειτουργίες ζωής του κυττάρου και τα κύτταρα τελικά θα καταστραφούν ή θα πάψουν να λειτουργούν χωρίς οξυγόνο.

• Ζύμωση 

Ο όρος «Ζύμωση» επινοήθηκε για πολλές διαφορετικές μορφές αναερόβιας αναπνοής που πραγματοποιείται απουσία οξυγόνου από πολλά στελέχη βακτηρίων και αρχαιοβακτηρίων και ορισμένα ευκαρυωτικά κύτταρα.

Αυτές οι διαδικασίες μπορούν να χρησιμοποιήσουν ένα ευρύ φάσμα δεκτών ηλεκτρονίων και να δημιουργήσουν ένα ευρύ φάσμα υποπροϊόντων. Η ζύμωση μπορεί να λάβει διάφορες μορφές, όπως:

• Αλκοολική ζύμωση

Αυτή η ζύμωση πραγματοποιείται από κύτταρα ζυμομύκητα και άλλα κύτταρα και έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή αλκοόλης και διοξειδίου του άνθρακα ως μεταβολιτών. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα ζυμαρικά είναι ανθρακούχα:κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, οι ζύμες παράγουν αέριο διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο δημιουργεί φυσαλίδες, καθώς και αιθυλική αλκοόλη.

• Ζύμωση γαλακτικού οξέος

Στο περιβάλλον χωρίς οξυγόνο, τα ανθρώπινα μυϊκά κύτταρα και ορισμένοι μικροοργανισμοί εκτελούν αυτό το είδος ζύμωσης. Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν ζύμωση γαλακτικού οξέος για την παραγωγή γιαουρτιού. Αβλαβείς μικροοργανισμοί καλλιεργούνται στο γάλα για να δημιουργήσουν γιαούρτι. Αυτά τα βακτήρια παράγουν γαλακτικό οξύ, το οποίο δίνει στο γιαούρτι την χαρακτηριστική του οξεία γεύση και συνδυάζεται με πρωτεΐνες γάλακτος για να σχηματίσει μια πυκνή, κρεμώδη υφή.

• Ζύμωση προπιονικού οξέος

Αυτή η μορφή ζύμωσης πραγματοποιείται από βακτήρια και χρησιμοποιείται στην παραγωγή ελβετικού τυριού. Η μοναδική πικρή, ξηρή γεύση του ελβετικού τυριού οφείλεται στο προπιονικό οξύ. Οι τρύπες σε μια φέτα τυριού προκαλούνται από τις φυσαλίδες αερίου που παράγονται από αυτούς τους μικροοργανισμούς.

• Ακετογένεση

Η ακετογένεση είναι μια διαδικασία ζύμωσης που πραγματοποιείται από βακτήρια που παράγουν οξικό οξύ ως υποπροϊόν. Το οξικό οξύ είναι το διακριτικό στοιχείο στο ξύδι, δίνοντάς του τη σκληρή, ξινή γεύση και άρωμα. Παραδόξως, τα βακτήρια που παράγουν το οξικό οξύ λειτουργούν με αιθυλική αλκοόλη. Για να παραχθεί ξύδι, ένα μείγμα που περιέχει ζάχαρη πρέπει πρώτα να ζυμωθεί με μαγιά για να παραχθεί αλκοόλ και μετά με βακτήρια για να μετατραπεί η αλκοόλη σε οξικό οξύ!

• Μεθανογένεση 

Η μεθανογένεση είναι ένα είδος αναερόβιου μεταβολισμού που μόνο τα αρχαιοβακτήρια μπορούν να επιτύχουν. Η μεθανογένεση είναι η διάσπαση μιας πηγής καυσίμου υδατανθράκων για τη δημιουργία διοξειδίου του άνθρακα και μεθανίου.

Μερικά φιλικά βακτήρια στο γαστρεντερικό σύστημα του ξενιστή, των αγελάδων και άλλων ζώων παράγουν μεθάνιο. Μερικά από αυτά τα βακτήρια μπορούν να αφομοιώσουν την κυτταρίνη, ένα φυτικό σάκχαρο που δεν μπορεί να διασπαστεί με την κυτταρική αναπνοή. Οι αγελάδες και άλλα ζώα μπορούν να λάβουν λίγη ενέργεια από αυτούς τους συνήθως δύσπεπτους υδατάνθρακες χάρη στους συμβιωτικούς μικροοργανισμούς!

Τι είναι η εξίσωση της κυτταρικής αναπνοής;

Αερόβια αναπνοή 

Η αερόβια εξίσωση κυτταρικής αναπνοής απεικονίζει τη γλυκόζη (C₆ H₁₂ O₆ ) συνδυάζεται με οξυγόνο (O₂ ) και ADP για να σχηματίσουν διοξείδιο του άνθρακα (CO₂ ), νερό (H₂ O), και ATP:

C6H12O6 (γλυκόζη)+ 6O₂ + 36 ADP (εξαντλημένο ATP) + 36 Pi (φωσφορικές ομάδες)→ 6CO₂ + 6H₂ O + 36 ATP

Τα μόρια άνθρακα της γλυκόζης απελευθερώνονται ως έξι μόρια διοξειδίου του άνθρακα όταν έχουν διασπαστεί πλήρως.

Ανατρέξτε στο παραπάνω διάγραμμα κυτταρικής αναπνοής για καλύτερη κατανόηση. 

Ζύμωση γαλακτικού οξέος

Κατά τη διαδικασία της ζύμωσης του γαλακτικού οξέος, ένα μόριο γλυκόζης χωρίζεται σε δύο μόρια γαλακτικού οξέος. Η χημική ενέργεια που συγκρατείται στα σπασμένα μόρια γλυκόζης μεταφέρεται σε δεσμούς που σχηματίζονται από μια φωσφορική ομάδα και το ADP.

C₆ H₁₂ O₆ (γλυκόζη) + 2 ADP (εξαντλημένο ATP) + 2 Pi (φωσφορικές ομάδες) → 2 CH₃ CHOHCOOH (γαλακτικό οξύ) + 2 ATP

Ανατρέξτε στο παραπάνω διάγραμμα κυτταρικής αναπνοής για περισσότερη σαφήνεια. 

Αλκοολική ζύμωση 

Η ζύμωση αλκοόλης είναι συγκρίσιμη με τη ζύμωση γαλακτικού οξέος. Στην αλκοολική ζύμωση, το οξυγόνο δεν είναι ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων. Έτσι, αντί για οξυγόνο, το κύτταρο δέχεται τα υπόλοιπα ηλεκτρόνια μέσω μιας μετασχηματισμένης μορφής πυροσταφυλικού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αιθυλική αλκοόλη, η οποία υπάρχει στα αλκοολούχα ποτά. Οι ζυθοποιοί και οι οινοπνευματοποιοί φτιάχνουν αυτήν την αλκοόλη χρησιμοποιώντας κύτταρα ζύμης, τα οποία είναι εξαιρετικά ικανά στη ζύμωση.

C₆ H₁₂ O₆ (γλυκόζη) + 2 ADP (εξαντλημένο ATP) + 2 Pi (φωσφορικές ομάδες)→ 2 C₂ H₅ OH (αιθυλική αλκοόλη) + 2 CO₂ + 2 ATP

Ανατρέξτε στο παραπάνω διάγραμμα κυτταρικής αναπνοής . 

Βήματα κυτταρικής αναπνοής 

Η διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής περιλαμβάνει τρία ακόλουθα βήματα:

Βήμα 1:Γλυκόλυση

Η γλυκόλυση είναι η κύρια λειτουργία που μοιράζονται όλοι οι τύποι κυτταρικής αναπνοής. Τώρα, τι συμβαίνει στη γλυκόλυση;

Στη διαδικασία της γλυκόλυσης, ένα μόριο σακχάρου χωρίζεται στη μέση, παράγοντας δύο μόρια ATP.

Η εξίσωση κυτταρικής αναπνοής για τη γλυκόλυση έχει ως εξής:

C₆ H₁₂ O₆ (γλυκόζη) + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi → 2 CH₃ COCOO− + 2 NADH + 2 ATP + 2 H₂ O + 2H+

Ο όρος γλυκόλυση έχει ελληνική προέλευση. «Γλυκό» σημαίνει «ζάχαρη» και «λύση» σημαίνει «διάσπαση». Ως εκ τούτου, η γλυκόλυση είναι μια διαδικασία που διασπά ένα μόριο ζάχαρης.

Στην πλειονότητα των οδών, η διαδικασία της γλυκόλυσης ξεκινά με τη διάσπαση της γλυκόζης σε δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος. Αυτά τα δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος υποβάλλονται σε περαιτέρω επεξεργασία για να απελευθερώσουν διάφορες μορφές υποπροϊόντων. Αυτά τα υποπροϊόντα περιλαμβάνουν αιθυλική αλκοόλη και γαλακτικό οξύ.

Βήμα 2:Μείωση

Το επόμενο βήμα της διαδικασίας είναι η μείωση. Αναγωγή σημαίνει «μείωση» ενός μορίου προσθέτοντας ηλεκτρόνια σε αυτό.

Στη ζύμωση γαλακτικού οξέος, το NADH συνεισφέρει ένα ηλεκτρόνιο στο πυροσταφυλικό οξύ. Έχει ως αποτέλεσμα τα υποπροϊόντα του γαλακτικού οξέος και του NAD. Επειδή το NAD είναι κρίσιμο για τη διαδικασία της γλυκόλυσης, αυτό το βήμα γίνεται σημαντικό για το κύτταρο.

Στην αλκοολική ζύμωση, το πυροσταφυλικό οξύ περνά από ένα βοηθητικό στάδιο. Χάνει ένα άτομο άνθρακα με τη μορφή διοξειδίου του άνθρακα. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, σχηματίζεται ένα ενδιάμεσο μόριο, δηλαδή η ακεταλδεΰδη. Η ακεταλδεΰδη ανάγεται περαιτέρω για να δημιουργήσει αιθυλική αλκοόλη και NAD.

Βήμα 3:Κύκλος Krebs

Η αερόβια αναπνοή αναβαθμίζει αυτές τις διαδικασίες στο επόμενο επίπεδο. Δεν χρησιμοποιεί τα ενδιάμεσα προϊόντα του κύκλου του Krebs. Αντίθετα, η αερόβια αναπνοή χρησιμοποιεί το οξυγόνο ως τον απόλυτο δέκτη ηλεκτρονίων. Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων επεξεργάζεται τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια που συνδέονται με τους φορείς ηλεκτρονίων (NADH).

Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων που λειτουργεί μέσα στη μιτοχονδριακή μεμβράνη χρησιμοποιεί την ενέργεια από τα ηλεκτρόνια για να οδηγήσει τα πρωτόνια στη μία πλευρά της μιτοχονδριακής μεμβράνης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ηλεκτροκινητική δύναμη. Αυτή η δύναμη χρησιμοποιείται από τη φωσφορυλική συνθάση ATP (σύμπλεγμα πρωτεϊνών) για την παραγωγή ATP.

Υποπροϊόντα της κυτταρικής αναπνοής

Τα υποπροϊόντα της κυτταρικής αναπνοής είναι τα εξής:

• ATP

Η χημική τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) είναι το κύριο προϊόν όλης της κυτταρικής αναπνοής. Οι λειτουργίες του ATP είναι οι εξής:

• Αυτό το μόριο συσσωρεύει την ενέργεια που δημιουργείται κατά την αναπνοή.
• Επιτρέπει στο κελί να διανέμεται σε άλλα τμήματα του κελιού.
• Μια ποικιλία βιολογικών συστατικών χρησιμοποιούν το ATP ως πηγή ενέργειας.
• Το ATP χρησιμοποιείται επίσης συχνά από φορείς, συνήθως πρωτεΐνες που μεταφέρουν χημικές ουσίες σε όλη την κυτταρική μεμβράνη.

• Διοξείδιο του άνθρακα

Το διοξείδιο του άνθρακα είναι ένα πανταχού παρόν υποπροϊόν της βιολογικής αναπνοής. Το διοξείδιο του άνθρακα θεωρείται συνήθως ως απόβλητο προϊόν που πρέπει να εξαλειφθεί. Το διοξείδιο του άνθρακα παράγει όξινα ιόντα σε ένα υδατικό διάλυμα. Αυτό μπορεί να μειώσει σημαντικά το pH του κυττάρου, προκαλώντας τελικά τη διακοπή των φυσιολογικών κυτταρικών δραστηριοτήτων. Τα κύτταρα πρέπει να αποβάλλουν συνεχώς διοξείδιο του άνθρακα για να αποφευχθεί αυτό.

• Άλλα υποπροϊόντα 

Ενώ όλα τα είδη κυτταρικής αναπνοής δημιουργούν τακτικά ATP και διοξείδιο του άνθρακα, διαφορετικές μορφές αναπνοής εξαρτώνται από διαφορετικά μόρια ως οι τελικοί αποδέκτες των ηλεκτρονίων που απαιτούνται στη διαδικασία.

Συχνές ερωτήσεις

1. Ποια είναι η κύρια πηγή ενέργειας στην κυτταρική αναπνοή;

Α:Η κύρια πηγή για την κυτταρική αναπνοή είναι το μόριο γλυκόζης. Χωρίς αυτό, η όλη διαδικασία δεν θα ξεκινούσε, καθώς δεν θα υπήρχε πυροσταφυλικό για χρήση στον κύκλο του Krebs, το οποίο παράγει διοξείδιο του άνθρακα και NADH.

2. Γίνεται γλυκόλυση στα μιτοχόνδρια;

Α:Η μιτοχονδριακή γλυκόλυση αντιμετωπίζει αποκλειστικά τη φάση αποπληρωμής της γλυκόλυσης, στην οποία τα σάκχαρα τριών άνθρακα μετατρέπονται σε πυροσταφυλικό, απελευθερώνοντας ενέργεια και μειώνοντας τα ισοδύναμα με τη μορφή ATP και NADH.

3. Ποια είναι η λειτουργία του ATP;

Α:Οι λειτουργίες του ATP περιλαμβάνουν:μεταφορά ιόντων, φωσφορυλίωση υποστρώματος, μετάδοση νευρικών παλμών, μυϊκή σύσπαση και χημική σύνθεση. Όλες αυτές οι διαδικασίες χρειάζονται ATP για την παραγωγή ενέργειας. Αυτές και άλλες διαδικασίες δημιουργούν σημαντική ζήτηση για ATP.

Σύνοψη 

Τι είναι η κυτταρική αναπνοή ? Αναφέρεται στις εξαρτώμενες από το οξυγόνο και τις εξαρτώμενες από την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων δραστηριότητες που επαναοξειδώνουν συνένζυμα που έχουν μειωθεί από την οξείδωση του καυσίμου. Συνδέεται με την παραγωγή και την αποτοξίνωση των μιτοχονδριακών ROS, την οξειδωτική φωσφορυλίωση, τον σχηματισμό ηλεκτροχημικής βαθμίδας στις μεμβράνες και τη θερμογένεση. Τα κύτταρα που πραγματοποιούν υψηλές ποσότητες αναγωγικής βιοσύνθεσης, παρά τη συνεχιζόμενη οξείδωση των καυσίμων, τη μειώνουν.