Τα αντιδρώντα και τα προϊόντα της κυτταρικής αναπνοής
Κυτταρική αναπνοή είναι η διαδικασία που είναι υπεύθυνη για τη μετατροπή της χημικής ενέργειας και τα αντιδρώντα/προϊόντα Στην κυτταρική αναπνοή εμπλέκονται το οξυγόνο, η γλυκόζη (ζάχαρη), το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό. Ενώ τα ακριβή βήματα που εμπλέκονται στην κυτταρική αναπνοή μπορεί να διαφέρουν από είδος σε είδος, όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί εκτελούν κάποιο είδος κυτταρικής αναπνοής.
Χωρίς την κυτταρική αναπνοή, οι ζωντανοί οργανισμοί δεν θα ήταν σε θέση να παράγουν τη χημική ενέργεια που χρειάζονται και τα κύτταρά τους δεν θα μπορούσαν να φέρουν εις πέρας τα καθήκοντα που απαιτούνται για να συντηρηθούν.
Τα αντιδρώντα που εμπλέκονται στην κυτταρική αναπνοή
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στα αντιδρώντα της κυτταρικής αναπνοής.
Η γλυκόζη, ή ζάχαρη, έχει τον χημικό τύπο C6H12O6. Ενώ αυτός ο τύπος μπορεί ενδεχομένως να εφαρμοστεί σε μια ποικιλία διαφορετικών μορίων, ανάλογα με το πώς είναι διατεταγμένα τα άτομα μέσα στο μόριο, τα περισσότερα μόρια με αυτόν τον χημικό τύπο είναι σάκχαρα της μιας ή της άλλης μορφής. Ο πιο αξιοσημείωτος σχηματισμός του C6H12O6 είναι η γλυκόζη, η οποία μερικές φορές αναφέρεται ως σάκχαρο αίματος ή δεξτρόζη. Τα κύτταρα των ζώων μετατρέπουν τη γλυκόζη σε μια ουσία γνωστή ως πυροσταφυλικό μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται γλυκόλυση. Η διαδικασία γλυκόλυσης παίρνει γλυκόζη και παράγει δύο μόρια ATP, ή ενέργεια, μαζί της.
Διοξυγόνο, που συχνά ονομάζεται απλώς οξυγόνο, αποτελείται από δύο άτομα οξυγόνου και είναι αυτό που αναπνέουν τα σπονδυλωτά. Το οξυγόνο αποτελεί περίπου το 21% της ατμόσφαιράς μας και τα σπονδυλωτά φέρνουν οξυγόνο στους πνεύμονές τους όπου απορροφάται από τα ερυθρά αιμοσφαίρια που μεταφέρουν το οξυγόνο σε άλλα μέρη του σώματος. Ενώ το ATP μπορεί να παραχθεί χωρίς τη χρήση οξυγόνου, η χρήση του οξυγόνου επιτρέπει στα κύτταρα του σώματος να μετατρέπουν πιο αποτελεσματικά τη γλυκόζη σε ATP.
Τα σπονδυλωτά απελευθερώνουν διοξείδιο του άνθρακα και νερό ως υποπροϊόντα της κυτταρικής αναπνοής. Το διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται από πολλούς διαφορετικούς μικροοργανισμούς όχι μόνο κατά τη διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής αλλά και κατά τη διαδικασία της ζύμωσης. Τα φυτά χρησιμοποιούν διοξείδιο του άνθρακα για να δημιουργήσουν τη δική τους ενέργεια, όπως και οι ετερότροφοι οργανισμοί χρησιμοποιούν γλυκόζη και οξυγόνο για να δημιουργήσουν ενέργεια. Το διοξείδιο του άνθρακα θα εισέλθει στα κύτταρα του φυτού μέσω μικρών οπών στα φύλλα που αναφέρονται ως στομία. Αφού το διοξείδιο του άνθρακα εισέλθει στα κύτταρα του φυτού, οι χλωροπλάστες μέσα στο κύτταρο θα ξεκινήσουν τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης και θα δημιουργήσουν υδατάνθρακες ως αποτέλεσμα.
Το νερό, που αναφέρεται και ως μονοξείδιο του διυδρογόνου, έχει τον χημικό τύπο H2O. Αυτό το μόριο μπορεί να βρεθεί παντού στη γη, αλλά και μέσα στα κύτταρα των περισσότερων οργανισμών. Εκτός από το διοξείδιο του άνθρακα και το ηλιακό φως, τα φυτά χρειάζονται επίσης νερό για να παράγουν ενέργεια μέσω της φωτοσύνθεσης. Το νερό συγκρατείται μέσα στα κύτταρα ενός φυτού σε δομές που αναφέρονται ως κενοτόπια.
Η ισορροπημένη χημική εξίσωση για την κυτταρική αναπνοή
Τώρα που γνωρίζουμε ποια είναι τα αντιδρώντα της κυτταρικής αναπνοής, ας ρίξουμε μια ματιά στο πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Τι ακολουθεί την ισορροπημένη εξίσωση/τύπο της κυτταρικής αναπνοής:
Γ6 H12 O6 + 6O2 –> 6CO2 + 6H2 O + 38 ATP
Σε απλά αγγλικά, αυτό μπορεί να διαβαστεί ως:
Γλυκόζη + οξυγόνο –> διοξείδιο του άνθρακα + νερό + ενέργεια
Αυτή είναι η βασική διαδικασία κυτταρικής αναπνοής,
Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής αναπνοής, το οξυγόνο και η γλυκόζη χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία διοξειδίου του άνθρακα, νερού και ενέργειας. Το οξυγόνο που εισπνέει ένας οργανισμός χρησιμοποιείται για τη διάσπαση των σακχάρων που βρίσκονται στα τρόφιμα. Αυτό παράγει θερμική ενέργεια, παρόμοια με το πώς η καύση ενός κομματιού ξύλου απελευθερώνει θερμότητα. Με την κυτταρική αναπνοή, αφού το οξυγόνο διασπάσει το σάκχαρο και απελευθερωθεί η ενέργειά του, απελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα ως υποπροϊόν. Η ενέργεια που απελευθερώνεται από τη διάσπαση των μορίων του σακχάρου αποθηκεύεται στα κύτταρα του οργανισμού για μελλοντική χρήση.
Μέρος του ATP που χρησιμοποιούν τα κύτταρα προέρχεται ως αποτέλεσμα των αντιδράσεων που μετασχηματίζουν τη γλυκόζη. Ωστόσο, μεγάλο μέρος του ATP παράγεται ως αποτέλεσμα μιας διαδικασίας που ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση, μια φάση της κυτταρικής αναπνοής. Η κυτταρική αναπνοή, σε αυτήν την περίπτωση, η αερόβια αναπνοή (αναπνοή που χρησιμοποιεί οξυγόνο), μπορεί να χωριστεί σε τέσσερα διαφορετικά στάδια και η οξειδωτική φωσφορυλίωση είναι το τελευταίο βήμα στη διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής.
Τα στάδια της κυτταρικής αναπνοής
Τα τέσσερα στάδια της κυτταρικής αναπνοής είναι:
- Γλυκόλυση
- Αντίδραση συνδέσμου (οξείδωση πυροσταφυλικού)
- Κύκλος Krebs (Κύκλος κιτρικού οξέος)
- Αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων
Το πρώτο στάδιο της κυτταρικής αναπνοής αναφέρεται ως γλυκόλυση και κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, η γλυκόζη χτυπιέται με διάφορους διαφορετικούς χημικούς μετασχηματισμούς και μετατρέπεται σε διαφορετικά μόρια. Η γλυκόλυση συμβαίνει μέσα στο κυτταρόπλασμα/κυτταρόπλασμα των κυττάρων και στην πραγματικότητα δεν χρειάζεται οξυγόνο για να συμβεί. Η αερόβια αναπνοή περιλαμβάνει τη μετατροπή της γλυκόζης σε δύο μόρια πυροσταφυλικού. Όταν τα δύο μόρια του πυροσταφυλικού άλατος οξειδωθούν, παράγονται δύο NADH ως αποτέλεσμα. Αυτά τα δύο μόρια NADH βοηθούν στη μεταφορά ηλεκτρονίων στις άλλες αντιδράσεις μέσα στο κύτταρο. Κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος παράγονται επίσης δύο μόρια ATP.
Η οξείδωση του πυροσταφυλικού είναι η επόμενη φάση της κυτταρικής αναπνοής και συμβαίνει όταν το πυροσταφυλικό που παράγεται στη γλυκόλυση εισέρχεται στο πιο εσωτερικό μέρος των μιτοχονδρίων, τη μιτοχονδριακή μήτρα. Σε αυτή τη μήτρα το πυροσταφυλικό θα συνδεθεί μαζί με μια ουσία που ονομάζεται συνένζυμο Α. Αυτό δημιουργεί το ακετύλιο CoA, ένα νέο μόριο με δύο άνθρακες. Εδώ παράγεται περισσότερο NADH και ως αποτέλεσμα απελευθερώνεται διοξείδιο του άνθρακα.
Ο κύκλος του Krebs, που μερικές φορές αναφέρεται ως ο κύκλος του τρικαρβοξυλικού οξέος ή απλώς ο κύκλος του κιτρικού οξέος, είναι όπου το οξαλοξικό οξύ συνδυάζεται με το ακετυλ CoA που παράγεται στο τελευταίο στάδιο. Αυτό δημιουργεί κιτρικό οξύ, το οποίο στη συνέχεια θα περάσει από διάφορες αντιδράσεις σε έναν κύκλο. Το τελευταίο βήμα του κύκλου του κιτρικού οξέος είναι να δημιουργηθεί περισσότερο οξαλοξικό οξύ, το οποίο ρυθμίζει τον κύκλο για να ξεκινήσει ξανά. Το διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια του κύκλου του κιτρικού οξέος και εδώ παράγονται ATP, FADH2 και NADH. Τα ηλεκτρόνια εντός του FADH2 και του NADH αποστέλλονται στη συνέχεια στο επόμενο τμήμα της κυτταρικής διαδικασίας αναπνοής, την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.
Τα μόρια του FADH2 και του NADH που δημιουργήθηκαν κατά τα προηγούμενα στάδια κυτταρικής αναπνοής θα μεταφέρουν τώρα τα ηλεκτρόνια τους στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτή η διαδικασία μεταφοράς ονομάζεται οξειδωτική φωσφορυλίωση. Δεδομένου ότι αυτά τα μόρια δεν βαρύνονται πλέον με ηλεκτρόνια, γίνονται οι απλούστερες μορφές τους – FAD και NAD+. Η κίνηση των ηλεκτρονίων κατά μήκος της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων απελευθερώνει ενέργεια. Τα πρωτόνια ωθούνται έξω από τη μιτοχονδριακή μήτρα με τη διαδικασία, δημιουργώντας μια κλίση. Ένα ένζυμο που ονομάζεται συνθάση ATP χρησιμοποιείται για τη δημιουργία του ATP και επιστρέφει τα πρωτόνια στη μήτρα. Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων τελειώνει όταν μόρια οξυγόνου συνδέονται με πρωτόνια και δέχονται ηλεκτρόνια, δημιουργώντας νερό.
Όσο για το πόσο ATP παράγεται από αυτή τη διαδικασία, είναι πιθανό να δημιουργηθούν περίπου 30 μονάδες ATP. Η διαδικασία της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης θα δημιουργήσει από 26 έως 28 μονάδες ATP και η φωσφορυλίωση του υποστρώματος θα δημιουργήσει συνήθως μεταξύ 4 έως 6 επιπλέον μονάδες ATP, για ένα σύνολο μεταξύ 30 και 34. Ωστόσο, η ρύθμιση για γλυκόλυση χρησιμοποιεί λίγο ATP. η πραγματική απόδοση είναι μερικές μονάδες χαμηλότερη.
Αναερόβια αναπνοή
Οι προαναφερθείσες διεργασίες συμβαίνουν όταν υπάρχει αρκετό οξυγόνο για να πραγματοποιηθεί η αερόβια αναπνοή. Εάν δεν υπάρχει επαρκής παροχή οξυγόνου, θα λάβει χώρα αναερόβια αναπνοή. Η αναερόβια αναπνοή μπορεί να παράγει ATP χωρίς παροχή οξυγόνου, αλλά είναι πολύ λιγότερο αποτελεσματική από την αερόβια αναπνοή, παράγοντας περίπου το 1/18 της ποσότητας ενέργειας που παράγει η αερόβια αναπνοή.
Η ζύμωση είναι μια μορφή αναερόβιας αναπνοής. Η ζύμωση διαφέρει από άλλες μορφές παραγωγής ενέργειας επειδή στη ζύμωση η οδός γλυκόλυσης είναι αποκλειστικά υπεύθυνη για την εκχύλιση του ATP. Αν και η γλυκόλυση δημιουργεί πυροσταφυλικό, το πυροσταφυλικό δεν θα προχωρήσει στην υπόλοιπη οδό. Αυτό σημαίνει ότι η διαδικασία οξείδωσης, ο κύκλος Krebs/κιτρικού οξέος και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων παραλείπονται. Επειδή η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων δεν λειτουργεί κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, το NADH δεν θα ρίξει τα ηλεκτρόνια του.
Για να αντισταθμιστεί η έλλειψη οξείδωσης, κύκλος κιτρικού οξέος και αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, η ζύμωση έχει μερικές επιπλέον αντιδράσεις που θα δημιουργήσουν NAD+ από το NADH. Αυτό γίνεται επιτρέποντας στο NADH να πάρει ένα οργανικό μόριο όπως το πυροσταφυλικό και να αφαιρέσει τα ηλεκτρόνια που μεταφέρει, διασφαλίζοντας ότι δημιουργείται το NAD+ και ότι η διαδικασία γλυκόλυσης μπορεί να συνεχιστεί.
Πώς η κυτταρική αναπνοή σχετίζεται με τη φωτοσύνθεση
Πώς σχετίζεται η κυτταρική αναπνοή με τη φωτοσύνθεση; Για να απαντήσουμε σε αυτό, ας ρίξουμε μια ματιά στη χημική εξίσωση για τη φωτοσύνθεση. Ακολουθεί η εξίσωση για τη φωτοσύνθεση:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6+ 6O2
Ίσως έχετε παρατηρήσει ότι αυτή η εξίσωση είναι βασικά το αντίθετο της κυτταρικής αναπνοής. Τα κύτταρα των ζώων συνδυάζουν υδρογόνο και οξυγόνο για να δημιουργήσουν νερό και διοξείδιο του άνθρακα ως υποπροϊόν. Εν τω μεταξύ, τα φυτά χρησιμοποιούν διοξείδιο του άνθρακα και νερό για να τροφοδοτήσουν τη φωτοσυνθετική διαδικασία, απελευθερώνοντας γλυκόζη και οξυγόνο ως τελικά προϊόντα αυτού του συστήματος.
Αυτή η αλληλένδετη και πολύπλοκη σχέση αναφέρεται ως κύκλος του άνθρακα. Αυτό είναι που επιτρέπει στα μόρια άνθρακα να ανακυκλώνονται και να διασχίζουν ολόκληρη τη βιόσφαιρα, να μετακινούνται από τα φυτά στα ζώα, στην ατμόσφαιρα και μετά να επιστρέφουν στα φυτά.
Η φωτοσύνθεση είναι η διαδικασία που χρησιμοποιούν τα φυτά για να δημιουργήσουν την ενέργεια που χρειάζονται. Οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί έχουν οργανίδια μέσα στα κύτταρά τους που ονομάζονται πλαστίδια, τα οποία έχουν μέσα τους χρωστικές ουσίες ικανές να παγιδεύουν ορισμένα μήκη κύματος φωτός. Το ηλιακό φως που παγιδεύουν μετατρέπεται σε υδατάνθρακες από τα φυτικά κύτταρα.
