Ισορροπημένη χημική εξίσωση για την κυτταρική αναπνοή:νόημα και λειτουργία
Κυτταρική αναπνοή είναι η διαδικασία με την οποία τα κύτταρα μετατρέπουν τα θρεπτικά συστατικά στην ενέργεια που χρησιμοποιείται για να τροφοδοτήσει μια ποικιλία λειτουργιών όπως η μεταφορά, η μετακίνηση και η σύνθεση μακρομορίων.
Η δουλειά της κυτταρικής αναπνοής είναι να σχηματίσει τριφωσφορική αδενοσίνη, ένα μόριο που χρησιμοποιείται για ενέργεια. Πώς γίνεται αυτή η μετάβαση μεταξύ θρεπτικών ουσιών και τριφωσφορικής αδενοσίνης, ή ATP; Ποια είναι τα βήματα της κυτταρικής αναπνοής;
Η ισορροπημένη χημική εξίσωση (τύπος) για την κυτταρική αναπνοή
Η ισορροπημένη εξίσωση (τύπος) που αντιπροσωπεύει την κυτταρική αναπνοή είναι:
C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2 O + 38 ATP , ή:
Αυτός ο τύπος θα μπορούσε επίσης να διαβαστεί ως:
Γλυκόζη + οξυγόνο –> νερό + διοξείδιο του άνθρακα + ενέργεια
Ουσιαστικά, αυτό σημαίνει ότι στην κυτταρική αναπνοή η γλυκόζη και το οξυγόνο μετασχηματίζονται για να παράγουν νερό, διοξείδιο του άνθρακα και ενέργεια. Το σώμα σας χρησιμοποιεί το οξυγόνο που εισπνέετε καθώς και την τροφή που τρώτε για να παράγει ενέργεια.
| 4 Στάδια Κυτταρικής Αναπνοής |
| Γλυκόλυση (Η διάσπαση της γλυκόζης) |
| Αντίδραση συνδέσμου |
| Κύκλος Krebs |
| Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων ή ETC |
Το οξυγόνο που εισπνέετε διασπά τα σάκχαρα από το φαγητό σας και παράγει θερμική ενέργεια, παρόμοια με την καύση του ξύλου για την απελευθέρωση ενέργειας. Στην κυτταρική αναπνοή, το οξυγόνο χρησιμοποιείται για τη διάσπαση του σακχάρου, η ενέργεια του σακχάρου απελευθερώνεται και ως υποπροϊόν παράγεται διοξείδιο του άνθρακα. Η απελευθερωμένη ενέργεια αποθηκεύεται στα κύτταρά σας για μελλοντική χρήση.
Μέρος του ATP που χρησιμοποιείται από τα κύτταρα προέρχεται απευθείας από τις αντιδράσεις που προκάλεσαν τον μετασχηματισμό της γλυκόζης. Ωστόσο, μια μεγάλη ποσότητα ATP παράγεται αργότερα κατά τη διάρκεια μιας φάσης κυτταρικής αναπνοής που ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση. Η διαδικασία της αερόβιας αναπνοής (αερόβια σημαίνει ότι χρησιμοποιεί οξυγόνο) χωρίζεται σε τέσσερα ξεχωριστά στάδια. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση μπορεί να θεωρηθεί ως το τελευταίο βήμα της διαδικασίας κυτταρικής αναπνοής.
| αντιδραστήρια κυτταρικής αναπνοής | Προϊόντα κυτταρικής αναπνοής |
| Οξυγόνο (6O2 ) | Νερό (6H2 O) |
| Γλυκόζη (C6 H12 O6 ) | Διοξείδιο του άνθρακα (6CO2 ) |
| Ενέργεια (38 ATP) |
Τα στάδια της κυτταρικής αναπνοής
Τα τέσσερα στάδια της κυτταρικής αναπνοής είναι η γλυκόλυση, η οξείδωση με πυροσταφυλικό, ο κύκλος του κιτρικού οξέος και η οξειδωτική φωσφορυλίωση.
Η γλυκόλυση είναι το στάδιο όπου η γλυκόζη μετατρέπεται σε άλλα μόρια μέσω ενός αριθμού χημικών μετασχηματισμών. Λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων και μπορεί να λειτουργήσει με ή χωρίς οξυγόνο. Η γλυκόζη είναι ένα σάκχαρο με έξι άνθρακες και στην αερόβια αναπνοή, η γλυκόζη μετατρέπεται σε δύο μόρια πυροσταφυλικού. Όταν τα μόρια του πυροσταφυλικού άλατος οξειδώνονται, παράγουν δύο NADH, το οποίο βοηθά στη μεταφορά ηλεκτρονίων σε άλλες αντιδράσεις, καθώς και δύο μόρια ATP.
Η οξείδωση του πυροσταφυλικού άλατος συμβαίνει όταν το πυροσταφυλικό εισέρχεται στη μιτοχονδριακή μήτρα, η οποία είναι το πιο εσωτερικό μέρος των μιτοχονδρίων (η δομή των κυττάρων που παράγει ενέργεια). Στη μιτοχονδριακή μήτρα, το πυροσταφυλικό συνδέεται με το συνένζυμο Α και μετατρέπεται σε μόριο δύο άνθρακα. Αυτή η νέα δομή είναι γνωστή ως «acetyl CoA». Αυτή η διαδικασία δημιουργεί NADH και απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα.
Ο κύκλος του κιτρικού οξέος (επίσης γνωστός ως κύκλος Krebs ή κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος) είναι όπου το ακετυλο CoA που παρήχθη στο τελευταίο στάδιο συνδυάζεται με ένα μόριο οξαλοξικού οξέος. Αυτό σχηματίζει ένα μόριο κιτρικού οξέος, το οποίο υφίσταται έναν πολύπλοκο κύκλο αντιδράσεων. Το τελευταίο βήμα σε αυτόν τον κύκλο δημιουργεί ένα μόριο οξαλοξικού οξέος έτσι ώστε ο κύκλος να μπορεί να ξεκινήσει ξανά. Κατά τη διάρκεια του κύκλου, απελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα και παράγονται NADH, FADH2 και ATP. Τα ηλεκτρόνια στο NADH και στο FADH2 αποστέλλονται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.
Κατά τη διάρκεια του σταδίου οξειδωτικής φωσφορυλίωσης, τα μόρια του NADH και FADH2 που δημιουργήθηκαν στα άλλα βήματα ρίχνουν τα ηλεκτρόνια τους στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι πλέον φορτωμένα με ηλεκτρόνια, μειώνοντας τις απλούστερες μορφές τους, NAD+ και FAD. Τα ηλεκτρόνια στη συνέχεια κινούνται κατά μήκος της αλυσίδας μεταφοράς, η οποία απελευθερώνει ενέργεια. Αυτή η διαδικασία ωθεί τα πρωτόνια έξω από τη μιτοχονδριακή μήτρα, η οποία σχηματίζει μια κλίση. Τα πρωτόνια επιστρέφουν στη μήτρα μέσω ενός ενζύμου που ονομάζεται συνθάση ATP, το οποίο όπως ακούγεται παράγει το ATP. Τέλος, η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων τελειώνει όταν το οξυγόνο δέχεται τα ηλεκτρόνια και συνδέεται με πρωτόνια, σχηματίζοντας νερό.
Πόσο ATP Παράγεται;
Πόσο ATP παράγεται από αυτή τη διαδικασία συνολικά; Το μεγαλύτερο μέρος του ATP δημιουργείται στην πραγματικότητα μέσω της βαθμίδας πρωτονίων που δημιουργείται στην εσωτερική μιτοχονδριακή μήτρα. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση θα μπορούσε να δημιουργήσει περίπου 26-28 μονάδες ATP και η φωσφορυλίωση του υποστρώματος θα μπορούσε να δημιουργήσει περίπου 4 έως 6 ακόμη. Ωστόσο, η προετοιμασία για γλυκόλυση καταναλώνει επίσης λίγο ATP, πράγμα που σημαίνει ότι στην πραγματικότητα η συνολική απόδοση για τη διαδικασία είναι πιθανό να είναι περίπου 30 μονάδες ATP.
Αναερόβια αναπνοή και ζύμωση
Όλες οι παραπάνω διαδικασίες υποθέτουν ότι υπάρχει αρκετό οξυγόνο για τη διαδικασία της αερόβιας αναπνοής. Εάν δεν υπάρχει διαθέσιμο οξυγόνο, αυτό που θα συμβεί είναι η «αναερόβια αναπνοή», μια μορφή της οποίας είναι η ζύμωση; Η αερόβια αναπνοή είναι πολύ πιο αποτελεσματική από την αναερόβια αναπνοή, παράγοντας περίπου 18 φορές περισσότερη ενέργεια από τη ζύμωση. Αντίθετα, η διαδικασία της ζύμωσης θα παράγει μόνο λίγο ATP (2 μονάδες) και μερικές φορές γαλακτικό οξύ.
Κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, το ATP εκχυλίζεται μόνο μέσω της οδού γλυκόλυσης. Το πυροσταφυλικό που δημιουργείται στη γλυκόλυση δεν συνεχίζει να περνά από την υπόλοιπη διαδικασία, παρακάμπτοντας την οξείδωση και τον κύκλο του κιτρικού οξέος. Επίσης, δεν διέρχεται από την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Λόγω του γεγονότος ότι η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων δεν λειτουργεί, το NADH δεν μπορεί να ρίξει τα ηλεκτρόνια του εκεί και να μειωθεί σε NAD+.
Υπάρχουν αντίθετα μερικές επιπλέον αντιδράσεις στη ζύμωση που υπάρχουν για τη δημιουργία NAD+ από το NADH που παρήχθη μέσω γλυκόλυσης. Αυτό επιτυγχάνεται αφήνοντας το NADH να χρησιμοποιήσει ένα οργανικό μόριο όπως το πυροσταφυλικό για να ρίξει τα ηλεκτρόνια που μεταφέρει και η εξασφαλισμένη παροχή NAD+ σημαίνει ότι η γλυκόλυση μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί.
Ορισμένα κύτταρα μπορούν να κάνουν αυτό που είναι γνωστό ως «ζύμωση γαλακτικού οξέος». Αυτή η διαδικασία έχει τη μεταφορά NADH τυχόν ηλεκτρονίων που έχει για να πυροσταφυλώσει τα μόρια, που σημαίνει ότι το γαλακτικό παράγεται ως υποπροϊόν. Τα είδη των βακτηρίων που δημιουργούν το γιαούρτι πραγματοποιούν αυτή τη διαδικασία ζύμωσης γαλακτικού οξέος, αλλά και τα κύτταρα στο σώμα σας. Τα ερυθρά αιμοσφαίρια και τα μυϊκά σας κύτταρα μπορούν να κάνουν ζύμωση γαλακτικού οξέος. Στην περίπτωση των ερυθρών αιμοσφαιρίων σας, είναι απαραίτητο να μπορούν να κάνουν ζύμωση γαλακτικού οξέος επειδή δεν έχουν μιτοχόνδρια και επομένως δεν μπορούν να εκτελέσουν αερόβια κυτταρική αναπνοή.
Τα μυϊκά σας κύτταρα θα κάνουν ζύμωση γαλακτικού οξέος μόνο όταν βρίσκονται υπό πίεση, αφού έχουν χρησιμοποιηθεί για πολύ σκληρή άσκηση και το οξυγόνο που υπήρχε έχει ήδη εξαντληθεί. Το γαλακτικό οξύ που δημιουργείται από τα μυϊκά κύτταρα μεταφέρεται στη συνέχεια στο ήπαρ μέσω της κυκλοφορίας του αίματος. Στο ήπαρ, μετατρέπεται ξανά σε πυροσταφυλικό για να αντιμετωπιστεί κανονικά με κυτταρική αναπνοή.
Η ικανότητα των κυττάρων να αναπνέουν και να δημιουργούν ενέργεια είναι αυτή που τους επιτρέπει να εκτελούν πολύπλοκες εργασίες. Χάρη σε αυτή την ικανότητα, τα κύτταρα μπορούν να σχηματίσουν μια μεγάλη ποικιλία οργανισμών που βλέπουμε στον κόσμο.
