Φόρμουλα Κυτταρικής Αναπνοής

Φόρμουλα κυτταρικής αναπνοής είναι ο συλλογικός όρος για έναν αριθμό διαφορετικών διεργασιών που μετατρέπουν τη βιοχημική ενέργεια που προέρχεται από θρεπτικά συστατικά σε ένα μόριο που ονομάζεται τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), τη μορφή της χρησιμοποιήσιμης χημικής ενέργειας που απαιτείται για την καθοδήγηση των κυτταρικών διεργασιών.

Αυτή η διαδικασία παίρνει έξι μόρια οξυγόνου και παράγει νερό και διοξείδιο του άνθρακα εκτός από τριφωσφορική αδενοσίνη ή ATP. Αυτή η διαδικασία μπορεί να αναπαρασταθεί από τον ακόλουθο χημικό τύπο :

C6H12O6 + 6O2 –> 6CO2 + 6H2O + 36 ή 38 ATP

Τα προϊόντα της κυτταρικής αναπνοής

Θα μπορούσατε επίσης να διαβάσετε τον τύπο κυτταρικής αναπνοής ως εξής:

Γλυκόζη + οξυγόνο –> νερό + διοξείδιο του άνθρακα + ενέργεια

Βασικά, τα κύτταρα του ανθρώπινου σώματος και τα κύτταρα άλλων ετερότροφων οργανισμών χρησιμοποιούν γλυκόζη και οξυγόνο για την παραγωγή ενέργειας, με το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό να παράγονται ως υποπροϊόν αυτής της αντίδρασης. Όταν εισπνέετε, τραβάτε οξυγόνο και το σώμα σας χρησιμοποιεί αυτό το οξυγόνο μαζί με τη γλυκόζη που προσλαμβάνετε για να δημιουργήσει την ενέργεια που είναι απαραίτητη για την ώθηση των δραστηριοτήτων του κυττάρου σας.

Το οξυγόνο που προσλαμβάνεται από τους πνεύμονες χρησιμοποιείται για να υποβαθμίσει ή να διασπάσει τα σάκχαρα που αντλούνται από το φαγητό που τρώτε. Αυτή η αλληλεπίδραση μεταξύ οξυγόνου και ζάχαρης απελευθερώνει θερμική ενέργεια, με τρόπο παρόμοιο με το πώς η καύση ενός κορμού ξύλου απελευθερώνει ενέργεια. Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής αναπνοής, αφού απελευθερωθεί η ενέργεια της ζάχαρης και το οξυγόνο έχει διασπαστεί αυτό το σάκχαρο, παράγεται διοξείδιο του άνθρακα ως υποπροϊόν. Η ενέργεια που προέρχεται από τα σάκχαρα θα αποθηκευτεί στα κύτταρα του σώματος για μελλοντική χρήση.

Αυτό που έχει περιγραφεί είναι η διαδικασία της αερόβιας αναπνοής, ο όρος αερόβια προέρχεται από το γεγονός ότι χρησιμοποιεί το οξυγόνο ως καταλύτη για την παραγωγή ενέργειας. Υπάρχει και αναερόβια αναπνοή, αναπνοή που γίνεται χωρίς οξυγόνο. (Ωστόσο, η αναερόβια αναπνοή είναι πολύ λιγότερο αποτελεσματική στην παραγωγή ενέργειας από την αερόβια αναπνοή, δημιουργώντας πολύ λιγότερο ATP από την αερόβια αναπνοή.) Η διαδικασία της αερόβιας αναπνοής τυπικά χωρίζεται σε τέσσερις ξεχωριστές διαδικασίες. Ένα μέρος του ATP που χρειάζονται τα κύτταρα είναι άμεσο αποτέλεσμα των αντιδράσεων που μετασχηματίζουν τη γλυκόζη. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος του ATP που παράγεται από την κυτταρική αναπνοή προέρχεται από τη διαδικασία/φάση που είναι γνωστή ως οξειδωτική φωσφορυλίωση, η οποία μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως το τελικό βήμα της διαδικασίας.

Οι φάσεις της κυτταρικής αναπνοής

Οι τέσσερις διαφορετικές φάσεις της διαδικασίας της κυτταρικής αναπνοής είναι:η γλυκόλυση, η οξείδωση με πυροσταφυλικό, ο κύκλος του κιτρικού οξέος ή ο κύκλος του Krebs και η οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Η γλυκόλυση είναι το πρώτο βήμα της διαδικασίας της κυτταρικής αναπνοής και κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης τα μόρια της γλυκόζης μετατρέπονται σε άλλα μόρια μέσω διαφόρων χημικών διεργασιών και μετασχηματισμών. Η γλυκόλυση ουσιαστικά ρυθμίζει τα άλλα τρία στάδια της διαδικασίας για τη δημιουργία ATP, παράγοντας από μόνη της λίγο ATP κατά τη διάρκεια αυτού του σταδίου. Η γλυκόλυση συμβαίνει στο κυτταρόπλασμα ή στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων και μπορεί να γίνει με οξυγόνο ή χωρίς οξυγόνο. Κατά τη διάρκεια της αερόβιας αναπνοής, η γλυκόζη (ένα μόριο σακχάρου με έξι άνθρακες) μετατρέπεται σε δύο μόρια της ουσίας πυροσταφυλικό. Η οξείδωση του πυροσταφυλικού οδηγεί στην παραγωγή δύο μορίων NADH. Αυτά τα μόρια NADH είναι υπεύθυνα για τη μεταφορά ηλεκτρονίων σε άλλες αντιδράσεις. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης παράγονται επίσης δύο μόρια ATP.

Η επόμενη φάση της διαδικασίας της κυτταρικής αναπνοής είναι η οξείδωση με πυροσταφυλικό. Η οξείδωση του πυροσταφυλικού άλατος συμβαίνει αφού τα μόρια πυροσταφυλικού που παράγονται κατά τη διάρκεια της γλυκόλυσης εισέλθουν στη μιτοχονδριακή μήτρα, η οποία είναι το πιο εσωτερικό τμήμα των μιτοχονδρίων - το οργανίδιο που είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία ενέργειας. Αφού το πυροσταφυλικό έχει εισέλθει στη μιτοχονδριακή μήτρα, συντήκεται με το συνένζυμο Α και αυτή η σύντηξη δημιουργεί ένα νέο μόριο που αναφέρεται ως ακετυλ CoA. Το ακετυλικό CoA είναι ένα μόριο δύο άνθρακα, σε αντίθεση με το πυροσταφυλικό. Η διαδικασία μετατροπής του πυροσταφυλικού σε ακετυλ CoA παράγει επίσης περισσότερα μόρια NADH και δημιουργεί διοξείδιο του άνθρακα ως υποπροϊόν.

Η τρίτη φάση στη διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής είναι ο κύκλος του κιτρικού οξέος, ο οποίος ακούγεται με άλλα ονόματα όπως ο κύκλος του Krebs ή ο κύκλος του τρικαρβοξυλικού οξέος. Κατά τη διάρκεια αυτής της φάσης, το ακετυλ CoA που παράγεται κατά τη φάση οξείδωσης του πυροσταφυλικού υφίσταται μετασχηματισμό, συντήκοντας με ένα μόριο οξαλοξικού οξέος. Αυτή η σύντηξη δημιουργεί κιτρικό οξύ και το κιτρικό οξύ θα υποστεί τότε πολλές διαφορετικές πολύπλοκες αντιδράσεις. Αυτό το στάδιο αναφέρεται ως κύκλος κιτρικού οξέος επειδή το τελικό στάδιο αυτής της διαδικασίας δημιουργεί περισσότερο οξαλοξικό οξύ, το οποίο ρυθμίζει τον κύκλο ώστε να μπορεί να ξεκινήσει από την αρχή. Το διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια του κύκλου του κιτρικού οξέος και παράγεται ATP. Μαζί με το ATP παράγονται μόρια FADH2 και NADH.

Η τελική φάση του κύκλου του κιτρικού οξέος είναι η οξειδωτική φωσφορυλίωση. Τα μόρια του NADH και του FADH2, που παρήχθησαν στα προηγούμενα βήματα του κύκλου, τώρα ρίχνουν τα ηλεκτρόνια που φέρουν μαζί τους. Τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα του να μην επιβαρύνονται πλέον με ηλεκτρόνια, το NADH και το FADH2 αποστάζονται σε NAD+ και FAD, τις απλούστερες μορφές τους. Τα ηλεκτρόνια που απελευθερώνονται από αυτά τα μόρια κινούνται τώρα μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων και αυτή η διαδικασία είναι που απελευθερώνει ενέργεια.

Ως αποτέλεσμα της κίνησης των ηλεκτρονίων μέσω της αλυσίδας μεταφοράς, τα πρωτόνια αναγκάζονται να βγουν από τη μιτοχονδριακή μήτρα. Όταν τα πρωτόνια εγκαταλείπουν τη μιτοχονδριακή μήτρα σχηματίζουν μια κλίση. Όταν τα πρωτόνια καταλήγουν να επιστρέφουν στη μήτρα, χάρη σε ένα ένζυμο που αναφέρεται ως συνθάση ATP, παράγεται ATP. Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων τελειώνει όταν μόρια οξυγόνου συνδέονται με πρωτόνια αφού δεχτούν ηλεκτρόνια, τα οποία δημιουργούν νερό.

Αφού ολοκληρωθεί η διαδικασία, θα έχουν παραχθεί κάπου μεταξύ 32 και 34 μονάδες ATP. Το μεγαλύτερο μέρος του ATP δημιουργείται όταν η βαθμίδα πρωτονίου δημιουργείται στη μιτοχονδριακή μήτρα. Η οξειδωτική φωσφορυλίωση παράγει κάπου μεταξύ 26 και 28 μονάδες ATP με αυτόν τον τρόπο. Η φωσφορυλίωση του υποστρώματος παράγει επίσης άλλες 4 έως 6 μονάδες ATP. Ωστόσο, η πραγματική απόδοση της διαδικασίας είναι περίπου 30 μονάδες ATP επειδή η ρύθμιση για τη γλυκόλυση χρησιμοποιεί λίγο ATP.

Κυτταρική αναπνοή και φωτοσύνθεση

Η φωτοσύνθεση είναι αυτό που χρησιμοποιούν τα φυτά για να δημιουργήσουν ενέργεια για τον εαυτό τους. Για να γίνει αυτό, τα φυτά χρησιμοποιούν χρωστικές ουσίες στα κύτταρά τους που παγιδεύουν ορισμένα μήκη κύματος φωτός και η φωτεινή ενέργεια στη συνέχεια μετατρέπεται σε υδατάνθρακες από τα οργανίδια στα κύτταρα του φυτού. Η κυτταρική αναπνοή, εν τω μεταξύ, μετατρέπει τη γλυκόζη σε ATP, χρησιμοποιώντας οξυγόνο.

Η διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής και η διαδικασία της φωτοσύνθεσης έχουν ιδιαίτερη σχέση μεταξύ τους. Οι δύο διεργασίες είναι αντίθετες η μία από την άλλη, παίρνοντας τις αντίστοιχες εξόδους της άλλης διεργασίας για επεξεργασία. Αυτό μπορεί να φανεί όταν συγκρίνουμε τις εξισώσεις για τη φωτοσύνθεση και την κυτταρική αναπνοή δίπλα δίπλα:

Ακολουθεί η εξίσωση για την κυτταρική αναπνοή:

C6H12O6 + 6O2 –> 6CO2 + 6H2O + 36 ή 38 ATP

Εδώ είναι η εξίσωση για τη φωτοσύνθεση:

6H2O + 6CO2 → C6H12O6 + 6O2

Η εξίσωση για τη φωτοσύνθεση είναι το αντίστροφο της εξίσωσης για την κυτταρική αναπνοή. Τα φυτά χρησιμοποιούν νερό και διοξείδιο του άνθρακα για να μετατρέψουν την ενέργεια από τον ήλιο σε ενέργεια που μπορούν να χρησιμοποιήσουν και εκπέμπουν οξυγόνο και γλυκόζη ως αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας. Αντίθετα, τα ζωικά κύτταρα συνδυάζουν οξυγόνο και υδρογόνο για να δημιουργήσουν ενέργεια και να απελευθερώσουν διοξείδιο του άνθρακα και νερό ως υποπροϊόν. Αυτή η σχέση μεταξύ ζώων και φυτών αναφέρεται ως ο κύκλος του άνθρακα, αναφερόμενος στον τρόπο με τον οποίο ο άνθρακας κυκλώνει σε ολόκληρη τη βιόσφαιρα, μετακινώντας από τα ζώα στα φυτά στην ατμόσφαιρα και πάλι πίσω.

Αναερόβια αναπνοή

Ο τύπος της κυτταρικής αναπνοής που αναφέρθηκε προηγουμένως ονομάζεται αερόβια αναπνοή, καθώς λαμβάνει χώρα παρουσία οξυγόνου. Ωστόσο, όταν δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο για να πραγματοποιηθεί η αερόβια αναπνοή, ορισμένα κύτταρα μπορούν ακόμα να παράγουν ενέργεια μέσω της εκτέλεσης της αναερόβιας αναπνοής. Η αναερόβια αναπνοή μπορεί να δημιουργήσει ATP χωρίς το οξυγόνο που συνήθως απαιτείται. Ωστόσο, είναι πολύ λιγότερο αποτελεσματική από την αερόβια αναπνοή όσον αφορά την ποσότητα του ATP που παράγεται, καθιστώντας περίπου το ένα δέκατο όγδοο (1/18) της ποσότητας ATP που παράγει η αερόβια αναπνοή.

Ένας τύπος αναερόβιας αναπνοής είναι η ζύμωση. Η ζύμωση είναι διαφορετική από άλλες μεθόδους παραγωγής ενέργειας γιατί σε αντίθεση με την αερόβια αναπνοή όπου υπάρχουν πολλαπλά στάδια που δημιουργούν ATP, στη ζύμωση η οδός γλυκόλυσης είναι το μόνο πράγμα που εξάγει το ATP. Ενώ η γλυκόλυση δημιουργεί πυροσταφυλικό κατά τη ζύμωση, το πυροσταφυλικό δεν προχωρά στην υπόλοιπη οδό, παρακάμπτοντας τις άλλες φάσεις που σχετίζονται με την αερόβια αναπνοή, όπως ο κύκλος του κιτρικού οξέος και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Δεδομένου ότι η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων παρακάμπτεται κατά τη διαδικασία ζύμωσης, το NADH διατηρεί τα ηλεκτρόνια του. Προκειμένου να αντισταθμιστεί η απουσία φάσεων οξείδωσης, κύκλος Krebs και αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων, υπάρχουν μερικές αντιδράσεις στη ζύμωση ικανές να δημιουργήσουν NAD+ από το NADH. Αυτό επιτυγχάνεται αφήνοντας τα μόρια του NADH να αποκτήσουν ένα μόριο όπως το πυροσταφυλικό και να κλέψουν τα ηλεκτρόνια από αυτό. Με αυτόν τον τρόπο διασφαλίζεται ότι μπορεί να δημιουργηθεί το NAD+ και ότι η διαδικασία γλυκόλυσης μπορεί να ξεκινήσει ξανά από την αρχή.