Aerob légzés - biológia
Milyen meleg túl meleg az élethez az óceán feneke mélyén?
Antibiotikumok baktériumoktól
Sejtvándorlás: egy ismert fehérje újonnan felfedezett funkciója
Molekuláris iránytű a sejtek igazításához
Mi teszi a levelek öregedését ősszel
A keselyű gyöngytyúk demokráciája
Ekembo környezete: Az emberek nyílt tájakon is éltek
| Genetika | Mezőgazdaság, erdészet és állattenyésztés
A búzafajtát vad füvek keresztezésével hozták létre
Milyen meleg túl meleg az élethez az óceán feneke mélyén?
Aerob légzés
| Sejtlégzés egy átirányítás erre a cikkre. Lásd még a sejtlégzést (sejtkommunikáció). |
| Szülő | ||
| Sejtlégzés | ||
| Alárendelt | ||
| Légzési lánc Aerob légzés elektrondonorral: nitrit Arzenit ammónium Szén-monoxid Vasionok hidrogén Kén/szulfát | ||
| QuickGO | ||
Mikor aerob légzés (Sejtlégzés, belső légzés) az élőlények sejtjeiben zajló metabolikus folyamatok, amelyekben a különféle oxidatív anyagcsere-folyamatok során fellépő és speciális hordozókhoz kötött hidrogénatomok oxidálódnak. A molekuláris, elemi oxigén (O2) oxidálószerként szolgál, amelyet vízzé redukálnak. Az aerob légzés célja energia előállítás adenozin-trifoszfát (ATP) formájában. A megnevezés aerob légzés különösen a mitokondrium belső membránjában lévő légzési lánc biokémiai folyamataihoz használják, amelyek végén az ATP szintetizálódik.
A légzés egyéb formáit - az élőlények közötti gázcsere értelmében - a külső légzés kifejezés foglalja össze.
Áttekintés
Az alábbiakban a D-glükóz (szőlőcukor) oxidációjából származó energia felhasználását mutatjuk be. A sejtek más anyagok oxidálásával is nyerhetnek energiát, de a glükóz oxidációja a leggyakoribb energiaforrás.
A sejtek glükózt vesznek fel energiaellátásukhoz. A citoplazmában és a mitokondriumban található eukarióták teljesen szén-dioxiddá és vízzé oxidálódnak. Az összegegyenlet:
$ \ mathrmO_6 + 6 \ O_2 \ longrightarrow 6 \ CO_2 + 6 \ H_2O> $ Egy glükózmolekulából és hat oxigénmolekulából hat szén-dioxid-molekula és hat víz-molekula válik.
Azonban a szabad entalpia változása standard körülmények között, pH = 7 mellett ehhez a reakcióhoz ΔG0 '= -2880 kJ/mol glükóz [1]. Ha a tényleges körülmények eltérnek ezektől a standard feltételektől, akkor a szabad entalpia változásának mértéke is eltér, jelentősen eltérhet a standard értéktől. Élő rendszerekben a szokásos körülmények általában nem adódnak meg, és gyakran megváltoznak az anyagok átalakulása során. A szabad entalpia standard körülmények közötti változásának mértéke ezért csak jelzi az élőlények kémiai átalakulása során felszabaduló energiát.
Az anyagok ezen kémiai átalakulása során a hidrogénatomokat bonyolult reakciólépések sorozatában - sok redoxireakciót is beleértve - elválasztják a glükózmolekulák bomlástermékeitől, és hidrogénhordozók (nikotinamid-adenin-dinukleotid, NAD) segítségével szállítják a mitokondriumokba. Ott a légzési lánc hidrogénatomjai oxigénnel reagálva vizet képeznek (esetenként, nem egészen helyesen, "biológiai oxihidrogénreakciónak" nevezik); a glükózmolekulák végül teljesen oxidálódnak. A lebontási folyamat végén a sejt a biológiai hidrogén-oxidáció során felszabaduló energiát használja fel a nagy energiájú adenozin-trifoszfát (ATP) előállításához. Energiahordozóként és rövid távú energiaraktárként szolgál, és számos anyagcsere-folyamat számára univerzális energiaforrásként szükséges.
A sejtlégzés átfogó reakcióegyenlete jobbról balra olvasva megfelel az oxigénes fotoszintézis reakcióegyenletének.
Folyamatábra
A sejtlégzés olyan folyamat, amelyben a nagy energiájú anyagok alacsony energiájú anyagokká alakulnak át. Sejtes légzés esetén a C6H12O6 glükózmolekula általában hosszú lépéssorozatban oxidálódik C1 testek (CO2) és víz (H2O) képződésére. Ez a bontás négy szakaszra osztható:
- glikolízis,
- az oxidatív dekarboxilezés,
- a citromsav-ciklus és
- a végső oxidáció a légzési láncban.
A sejtlégzés teljes egyensúlya a következőképpen alakítható ki:
$ \ mathrmO_6 + 6 \ O_2 \ longrightarrow 6 \ CO_2 + 6 \ H_2O> $ Egy glükózmolekulából és hat oxigénmolekulából hat szén-dioxid-molekula és hat víz-molekula válik.
Glikolízis
A glikolízis (= cukor lebontása) a citoplazmában megy végbe. Ennek során a D-glükóz feloszlik. Ezt kettős foszforilezéssel hajtják végre, így glükóz-6-foszfát, fruktóz-6-foszfát, majd fruktóz-1,6-biszfoszfát képződik. Ezekhez a folyamatokhoz 2 ATP-molekulát defoszforilezünk 2 ADP-molekulává. A glükóz foszforilációja miatt most aktivált állapotban van. Ezt a C6 testet ezután két C3 testre osztják, egy dihidroxi-aceton-foszfát (DHAP) és egy gliceraldehid-3-foszfát (GAP) molekulára. Csak a glicerinaldehid-3-foszfát bomlik tovább, ezért izomerizálódik belé a DHAP.
Egy másik szervetlen foszfátmolekula rakódik le és a GAP oxidálódik, így glicerin-1,3-bifoszfát (1,3bPG) keletkezik. Az elektronokat a NAD + hidrogénhordozóba (nikotinamid-adenin-dinukleotid) viszik át. Egy további lépésben egy foszfát-maradékot (Pi) viszünk át az ADP-be, így ATP és glicerin-sav-3-foszfát (3-PG) keletkezik. A 3-PG glicerin-2-foszfáttá (2-PG) izomerizálódik. A foszfoenol-piruvát (PEP) a víz elválasztásával képződik belőle. A glikolízis ezen utolsó lépésében a foszfát utolsó maradékát is átvisszük az ADP-be, piruvátot és ATP-t hozva létre. A GAP-tól a piruvát felé vezető úton két ATP-molekula képződik az ADP foszforilezésével minden egyes GAP-molekula számára.
Glikolízis nettó egyenleg:
Oxidatív dekarboxilezés
Az oxidatív dekarboxilezés rövid lépés, de elengedhetetlen a következő lépéshez. Az eukariótákban a mitokondriális mátrixban játszódik le. A többlépcsős reakciómechanizmus szétválasztja a CO2-t a piruvátból (dekarboxilezés) és 2 H atomot visz át a NAD + -ba (redox-reakció), és a kapott acetát az A koenzimhez (CoA) kötődik, így acetil-CoA képződik.
Az oxidatív dekarboxilezés egyensúlya:
Citromsav ciklus
A citromsav ciklust, más néven citromsav ciklust vagy trikarbonsav ciklust, az első köztitermékről, a citrátról, a citromsav anionjáról nevezik el.
A citromsav-ciklus utolsó lépésében oxaloacetátot állítanak elő. Ez acetil-CoA-val kondenzálódik citrátképzés céljából - a víz felszívásával és az A koenzim szétválasztásával. A folyamat során az A koenzim újra regenerálódik. Ezután a CO2 szétválik, és a hidrogént a NAD hidrogénhordozó veszi át (NADH képződése), így az a-ketoglutarát képződik. A következő lépésben az A koenzim segítségével a CO2 ismét szétválik, és a hidrogént átvisszük a NAD-ba. A következő lépések csak az oxaloacetát regenerálását szolgálják, hogy a ciklus újrakezdődhessen. Ez a szukcinil-CoA, szukcinát, fumarát, L-malát molekulákon keresztül történik.
A citromsav-ciklus egyensúlya (glükózmolekulánként kétszer fut, mivel 1 mol glükózból 2 mol piruvát és így 2 mol acetil-koenzim A képződik):
Végezze el az oxidációt a légzési láncban
Az előző folyamat 4 ATP-t eredményezett. Az ATP-hozam nagy részét azonban a légzési lánc biztosítja a NAD és FAD hidrogénhordozókhoz kötött hidrogénatomok oxigénnel (O2) történő oxidálásával. Összesen 10 NADH (2 glikolízisből, 2 oxidatív dekarboxilezésből és 6 (2-szer 3) a citromsavciklusból) és 2 FADH2 (flavin-adenin-dinukleotid) áll rendelkezésre, azaz 24 redukciós ekvivalens.
A protonok ezután a membránhoz kötött ATP-szintázon keresztül áramlanak vissza az intermembrán térből a mátrix térbe. Ez az enzim katalizálja az ATP szintézisét foszfátmaradékból és ADP-ből. A protonmotor teljesítményében lévő áramlási energiát használják fel a keletkező ATP felszabadítására az ATP szintázból. Az ADP molekula transzportját a citoplazmából a mátrixba, vagy fordítva, az ATP molekula transzportját a citoplazmába egy ATP/ADP transzlokáz katalizálja. Ehhez a transzporthoz azonban a protongradiens is megérintésre kerül, így egy protont felhasználnak az ATP vagy ADP elérhetőségére. Ez azt jelenti, hogy legalább 4 protont kell kiszámítani egy ATP-molekula előállításához.
Egy NADH oxidációja így 2,5 ATP-t eredményez. A glikolízisből származó két NADH kivétel. Ezek még mindig a citoplazmában vannak, és először a mitokondriumba kell szállítani. Ha ez a glicerin-3-foszfát transzfer segítségével történik, ezekből csak 1,5 ATP-t nyerünk. Mivel 8 + 2 NADH oxidálódik, összesen 8 × 2,5 + 2 × 1,5 = 23 ATP keletkezik. [2] Ha azonban citoszolos NADH-t visznek be a mátrixba a malát-aszpartát transzfer, akkor ezekből a redukciós ekvivalensekből 2,5 mol ATP keletkezhet. Ez azt jelenti, hogy maximum 10 × 2,5 = 25 ATP generálható. [3]
A FADH2 esetében a folyamat alapvetően ugyanaz, csak a FADH2 szabadítja fel az elektronokat nagyobb redoxpotenciálon és így alacsonyabb energiaszinten. Elektronjai csak energetikailag alacsonyabb szinten vezethetők be a légzési láncba. Ezért csak 4 protont lehet kiszivattyúzni a mátrixból az intermembrán térbe a FADH2 elektronjainak segítségével. Ennek eredményeként csak 1,5 ATP képződik egy FADH2-vel. Mivel két FADH2 oxidálódik, 3 ATP jön létre. [2]
A NADH és FADH2 protonjai és elektronjai (összesen 24) 12 H2O -vá oxidálódnak 6 O2-molekulával együtt, amelyek a membránon keresztül a mitokondriális mátrixba kerülnek. Az elektron- vagy hidrogénhordozók, a NAD + és a FAD ismét redukálhatók NADH-ra vagy FADH2-re, ha egyenként 2 e - és 2 H + -t vesznek fel.
A légzési lánc egyensúlya:
Energiamérleg
| A glikolízis előkészítő szakasza | −2 | A glükóz 2 molekula glicerinaldehid-3-foszfátra történő lebontására használt energia | |
| Glikolízis hozamszint | 4 | A szubsztrátlánc foszforilezése | |
| 2 NADH | 3 | Oxidatív foszforiláció | |
| Oxidatív dekarboxilezés | 2 NADH | 5. | Oxidatív foszforiláció |
| Citromsav ciklus | 2 | A szubsztrátlánc foszforilezése (GTP formájában) | |
| 6 NADH | 15-én | Oxidatív foszforiláció | |
| 2 FADH2 | 3 | Oxidatív foszforiláció | |
| Teljes hozam | 30 ATP [3] [2] - 32 ATP [3] | molekulánként glükóz (glicerin-3-foszfát transzfer vagy malát-aszpartát transzfer) | |
Mivel a prokarióták nem rendelkeznek sejtrekeszekkel, nem kell energiát költeniük az intracelluláris transzportfolyamatokhoz. Ezért maximálisan tudnak 38 ATP-molekulák készítése glükózmolekulából. [3]