Ląstelinis kvėpavimas: apibrėžimas, aerobinis ir anaerobinis procesas, ATP
Sužinokite apie ląstelįse vykstantį ląstelinį kvėpavimą: aerobinius ir anaerobinius procesus, ATP gamybą, glikolizę, Krebso ciklą ir jų reikšmę organizmui.
Ląstelinis kvėpavimas - tai ląstelių veikla, kurios metu skaidomas cukrus, kad būtų gauta energijos, kurią jos gali panaudoti. Ląstelinis kvėpavimas priima maistą ir naudoja jį ATP - cheminei medžiagai, kurią ląstelės naudoja energijai gauti.
Paprastai šiam procesui naudojamas deguonis ir jis vadinamas aerobiniu kvėpavimu. Jį sudaro keturi etapai, vadinami glikolize, Linko reakcija, Krebso ciklu ir elektronų pernašos grandine. Taip susidaro ATP, kuris tiekia energiją, reikalingą ląstelėms darbui atlikti.
Kai ląstelėms nepakanka deguonies, jos pradeda anaerobinį kvėpavimą, kuriam deguonies nereikia. Tačiau šio proceso metu susidaro pieno rūgštis ir jis nėra toks efektyvus, kaip naudojant deguonį.
Aerobinio kvėpavimo metu, kai naudojamas deguonis, pagaminama daug daugiau energijos ir nesusidaro pieno rūgšties. Taip pat susidaro anglies dioksido, kuris patenka į kraujotakos sistemą. Anglies dioksidas patenka į plaučius, kur keičiamas į deguonį.
Supaprastinta aerobinio ląstelių kvėpavimo formulė yra tokia:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energija (kaip ATP)
Žodžių lygtis yra tokia:
Gliukozė (cukrus) + deguonis → anglies dioksidas + vanduo + energija (kaip ATP)
Aerobinis ląstelių kvėpavimas susideda iš keturių etapų. Kiekvienas iš jų yra svarbus ir negalėtų vykti be prieš tai buvusio etapo. Aerobinio ląstelininio kvėpavimo etapai yra šie:
Aerobinio kvėpavimo etapai ir jų vieta ląstelėje
- Glikolizė – vyksta citoplazmoje. Viena gliukozės molekulė skaidoma į dvi piruvato (piruvato rūgšties) molekules. Šio etapo metu susidaro nedidelis kiekis energijos: 2 ATP (pagal gryną pelną) ir 2 NADH, kurie vėliau perduos elektronus į elektronų pernašos grandinę.
- Linko reakcija (piruvato dekarboksilinimas) – vyksta mitochondrijų matrikse. Piruvatas paverčiamas acetil-CoA, išsiskiria CO2 ir susidaro NADH. Acetil-CoA patenka į Krebso ciklą.
- Krebso ciklas (citratų ciklas) – vyksta mitochondrijų matrikse. Kiekvienas acetil-CoA pilnai oksiduojamas iki CO2. Per vieną gliukozės molekulę (du acetil-CoA) susidaro NADH ir FADH2, taip pat nedidelis kiekis ATP (GTP ekvivalentas).
- Elektronų pernašos grandinė ir oksidacinė fosforilinimas – vyksta mitochondrijų vidinėje membranoje. NADH ir FADH2 perduoda elektronus grandinei, o energija naudojama protonų (H+) gradientui sukurti per membraną. Šis gradientas varo ATP sintazę, kuri sintetina daugiausia ATP. Deguonis veikia kaip galutinis elektronų akceptorius ir jungiasi su protonais, susidarant vandeniui.
Anaerobinis kvėpavimas (fermentacija)
Kai deguonies trūksta, ląstelės verčiasi į anaerobinį metabolizmą, kad atgaivintų reikiamą NAD+, reikalingą glikolizei tęsti. Dvi pagrindinės fermentacijos formos:
- Pieno rūgšties fermentacija – vyksta raumenų ląstelėse (žmonėms) esant intensyviam darbui ir trūkstant deguonies. Piruvatas redukuojamas iki pieno rūgšties (laktato), regeneruojamas NAD+. Tai leidžia trumpam palaikyti ATP gamybą, bet kaupiasi laktatas, kuris siejamas su raumenų nuovargiu.
- Alkoholio (etanolio) fermentacija – vyksta mielėse ir kai kuriuose mikroorganizmuose. Piruvatas paverčiamas etanoliu ir CO2, taip pat regeneruojamas NAD+. Šis kelias naudingas maisto gamyboje (duonos, alaus, vyno gamyba).
Energetinis balansas
Nors tikslus ATP skaičius gali skirtis priklausomai nuo organizmo ir transporto mechanizmų, apytikslis energijos pelnas iš vienos gliukozės molekulės aerobinio kvėpavimo metu yra apie 30–32 ATP eukariotėms. Supaprastintas paskirstymas:
- Glikolizė: neto 2 ATP + 2 NADH (kai kurie NADH vėliau duos daugiau ATP)
- Linko reakcija: 2 NADH (iš dviejų piruvatų)
- Krebso ciklas: ~2 ATP (GTP) + 6 NADH + 2 FADH2 (už dvi acetil-CoA, t. y. vieną gliukozę)
- Elektronų pernaša ir oksidacinė fosforilinimas: didžioji dalis ATP (galutinė suma priklauso nuo to, kiek ATP pagaminama iš NADH ir FADH2 per protonų gradiento mechanizmą)
Vandens ir anglies dioksido apykaita
Per aerobinį kvėpavimą deguonis yra galutinis elektronų akceptorius, todėl susidaro vanduo. Anglies dioksidas, išsiskiriantis Linko reakcijoje ir Krebso cikle, patenka į
kraujotakos sistemą ir galiausiai iškvepiamas per plaučius.Reguliavimas ir klinikinė reikšmė
- Metabolizmas reguliuojamas pagal ląstelės energijos poreikį: didelis ATP kiekis slopina fermentus, mažas – juos aktyvina. Vienas iš svarbiausių glikolizės reguliatorių yra fermentas fosfofruktokinazė (PFK).
- Tam tikri toksinai blokuoja elektronų pernašos grandinę (pvz., cianidai ar anglies monoksidas blokuoja citochromą c oksidazę), todėl ląstelė negali efektyviai gaminti ATP ir greitai žūsta.
- Sporto fiziologijoje trumpalaikė anaerobinė energijos gamyba leidžia raumenims dirbti intensyviai, tačiau ilgainiui reikia deguonies, kad atkurtų energijos atsargas ir pašalintų sukauptą laktatą.
Santrauka
Ląstelinis kvėpavimas – tai esminis biologinis procesas, leidžiantis organizmams paversti maisto medžiagų chemiją į ATP, kuri reikalinga ląstelės funkcijoms atlikti. Aerobinis kvėpavimas yra efektyvesnis ir vyksta mitochondrijose, o anaerobinis – mažiau efektyvus ir dažnai sukelia rūgšties kaupimąsi (laktatą) ar etanolį priklausomai nuo organizmo.
Glikolizė
Glikolizės metu citoplazmoje esanti gliukozė suskaidoma į dvi piruvato molekules. Dešimčiai šio proceso tarpinių junginių reikia dešimties fermentų.
- Procesą pradeda du daug energijos turintys ATP.
- Pabaigoje yra dvi piruvato molekulės ir
- Substrato lygis - 7 ir 10 reakcijos metu susidaro keturios ATP molekulės
- Deguonį naudojančiose ląstelėse piruvatas naudojamas antrajame procese - Krebso cikle, kurio metu susidaro daugiau ATP molekulių.
Ciklo našumas
Biologijos vadovėliuose dažnai teigiama, kad ląstelinio kvėpavimo metu vienai oksiduotai gliukozės molekulei gali susidaryti 38 ATP molekulės (dvi iš glikolizės, dvi iš Krebso ciklo ir apie 34 iš elektronų pernašos grandinės). Tačiau iš tikrųjų šio proceso metu energijos (ATP) pagaminama mažiau dėl nuostolių, atsirandančių dėl nesandarių membranų. Apytikriais skaičiavimais, vienai gliukozei tenka 29-30 ATP.
Aerobinė medžiagų apykaita yra maždaug (žr. sakinį aukščiau) 15 kartų efektyvesnė už anaerobinę medžiagų apykaitą. Anaerobinės medžiagų apykaitos metu iš 1 mol gliukozės gaunama 2 mol ATP. Jie turi bendrą pradinį glikolizės kelią, tačiau aerobinė medžiagų apykaita tęsiasi Krebso ciklu ir oksidaciniu fosforilinimu. Po glikolizės vykstančios reakcijos eukariotinėse ląstelėse vyksta mitochondrijose, o prokariotinėse - citoplazmoje.
Sąsajos reakcija
Glikolizės metu susidaręs piruvatas aktyviai perpumpuojamas į mitochondrijas. Iš piruvato pašalinama viena anglies dioksido molekulė ir viena vandenilio molekulė (vadinamasis oksidacinis dekarboksilinimas) ir susidaro acetilo grupė, kuri jungiasi su fermentu, vadinamu CoA, ir susidaro acetil CoA. Tai labai svarbu Krebso ciklui.
Krebso ciklas
Acetil CoA susijungia su oksaloacetatu ir sudaro junginį, turintį šešis anglies atomus. Tai pirmasis nuolat pasikartojančio Krebso ciklo etapas. Kadangi iš kiekvienos gliukozės molekulės susidaro dvi acetil-CoA molekulės, vienai gliukozės molekulei reikia dviejų ciklų. Todėl dviejų ciklų pabaigoje gaunami šie produktai: du ATP, šeši NADH, du FADH ir keturi CO2. ATP yra molekulė, kuri chemine forma perneša energiją, kad ji būtų panaudota kituose ląstelės procesuose. Šis procesas dar vadinamas TCA ciklu (trikarboksirūgšties (try-car-box-ILL-ick) ciklas), citrinų rūgšties ciklu arba Krebso ciklu pagal jo reakcijas išaiškinusio biochemiko pavardę.
Elektronų pernašos grandinė (ETC)
Čia pagaminama didžioji dalis ATP. Visos vandenilio molekulės, kurios buvo pašalintos ankstesniuose etapuose (Krebso ciklas, Linko reakcija), perpumpuojamos į mitochondrijos vidų naudojant elektronų išskiriamą energiją. Galiausiai vandenilio pumpavimą į mitochondriją skatinantys elektronai susimaišo su dalimi vandenilio ir deguonies ir susidaro vanduo, o vandenilio molekulės nustoja būti pumpuojamos.
Galiausiai vandenilis baltyminiais kanalais grįžta į mitochondrijų citoplazmą. Tekant vandeniliui, iš ADP ir fosfato jonų gaminamas ATP.
Susiję puslapiai
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra ląstelinis kvėpavimas?
A: Ląstelinis kvėpavimas - tai procesas, kurio metu ląstelės skaido cukrų ir gauna energijos, kurią gali panaudoti. Jis priima maistą ir naudoja jį ATP - cheminei medžiagai, kurią ląstelė naudoja energijai gauti.
K: Kokie yra du kvėpavimo tipai?
A: Yra du kvėpavimo tipai: aerobinis kvėpavimas ir anaerobinis kvėpavimas. Aerobinis kvėpavimas naudoja deguonį ir gamina daugiau energijos nei anaerobinis kvėpavimas, tačiau nesigamina pieno rūgštis. Anaerobinis kvėpavimas nenaudoja deguonies, bet vietoj jo gaminama pieno rūgštis.
K: Kokia yra aerobinio ląstelių kvėpavimo formulė?
A: Aerobinio kvėpavimo formulė yra tokia: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energija (kaip ATP). Žodinė lygtis: Gliukozė (cukrus) + deguonis → anglies dioksidas + vanduo + energija (kaip ATP).
Klausimas: Kiek etapų turi aerobinis ląstelinis kvėpavimas?
A: Aerobinis ląstelių kvėpavimas turi keturis etapus: glikolizę, Linko reakciją, Krebso ciklą ir elektronų pernašos grandinę.
K: Kas atsitinka su aerobinio ląstelinio kvėpavimo metu susidariusiu anglies dioksidu?
A: Aerobinio ląstelinio kvėpavimo metu susidaręs anglies dioksidas patenka į kraujotakos sistemą, iš kurios keliauja į plaučius, kur keičiamas į deguonį.
K: Kokio tipo atliekos susidaro anaerobinio kvėpavimo metu?
A: Anaerobinio kvėpavimo metu susidaro pieno rūgštis, o aerobinio kvėpavimo metu susidaro anglies dioksidas.
Ieškoti