Ląstelių kvėpavimas yra procesas, kurio metu gyvi organizmai gauna energijos iš maisto. Yra du pagrindiniai metodai. Aerobinis kvėpavimas, kurį naudoja visos daugialąstės ir kai kurios vienaląstės gyvybės formos, naudoja atmosferoje arba vandenyje ištirpusį deguonį, kaip sudėtingo proceso, kuris išskiria ir kaupia energiją, dalį. Anaerobinį kvėpavimą naudoja įvairūs vienaląsčiai organizmai ir jame nėra nekombinuoto deguonies.
Aerobinio kvėpavimo atsiradimas
Pirmosios gyvybės formos Žemėje atsirado pasaulyje, kuriame nėra laisvo deguonies. Jie naudojo anaerobinius procesus, kad aprūpintų save energija. Tam tikru momentu, dar ankstyvoje Žemės istorijoje, išsivystė organizmai, kurie fotosintezės būdu gamino cukraus molekules, naudodami anglies dioksidą, gaunamą iš atmosferos ir vandens. Cukrus buvo energijos šaltinis, o proceso metu kaip šalutinis produktas gamino deguonį. Deguonis buvo toksiškas daugeliui anaerobinių organizmų, tačiau kai kurie išsivystė, kad panaudotų jį naujo tipo kvėpavimui, kuris iš tikrųjų suteikė daug daugiau energijos nei anaerobinis procesas.
Ankstyvąsias gyvybės formas sudarė ląstelės, neturinčios branduolių ar kitų aiškiai apibrėžtų struktūrų. Jie žinomi kaip prokariotai ir apima tokius organizmus kaip bakterijos ir melsvadumbliai, taip pat žinomi kaip melsvadumbliai. Vėliau atsirado ląstelės su branduoliais ir kitomis struktūromis; tai žinomi kaip eukariotai. Jie apima kai kuriuos vienaląsčius ir visus daugialąsčius organizmus, tokius kaip augalai ir gyvūnai. Visi eukariotai ir kai kurie prokariotai naudoja aerobinį kvėpavimą.
Kaip veikia aerobinis kvėpavimas
Ląstelės kaupia energiją molekulėje, vadinamoje adenozino trifosfatu (ATP). Šiame junginyje yra trys fosfato (PO4) grupės, tačiau jis gali išleisti energiją, praradęs vieną iš jų, kad susidarytų adenozino difosfatas (ADP). Ir atvirkščiai, ADP gali įgyti fosfatų grupę, kuri taps ATP, taip kaupdama energiją.
Kita svarbi molekulė yra nikotinamido adenino dinukleotidas. Jis gali egzistuoti dviem formomis: NAD+, kuris gali priimti du elektronus ir vieną vandenilio (H+) joną, kad susidarytų NADH, kuris gali perduoti elektronus kitoms molekulėms. Junginys naudojamas kvėpuojant elektronams pernešti iš vienos vietos į kitą.
Kvėpavimo pradžios taškas yra gliukozė (C6H12O6), vienas iš paprasčiausių angliavandenių. Sudėtingesnės cukraus molekulės maiste pirmiausia suskaidomos į šį junginį. Gliukozė savo ruožtu suskaidoma vykstant procesui, vadinamam glikolize, kuris vyksta citoplazmoje arba ląstelių skystyje ir yra būdingas tiek anaerobiniam, tiek aerobiniam kvėpavimui.
Glikolizė
Glikolizės procese naudojamos dvi ATP molekulės, kad gliukozę, turinčią šešis anglies atomus, paverstų dviem trijų anglies junginių molekulėmis, vadinamomis piruvatu. Pasibaigus šiam procesui, susidaro keturios ATP molekulės, todėl bendras ATP padidėjimas yra du, o tai reiškia sukauptos energijos padidėjimą. Glikolizėje taip pat susidaro dvi NAD+ molekulės, kurios iš gliukozės paima po du elektronus ir vieną vandenilio joną, kad susidarytų NADH. Taigi apskritai glikolizės metu susidaro dvi piruvato molekulės, dvi ATP ir dvi NADH.
Eukariotinėse ląstelėse likusios aerobinio kvėpavimo stadijos vyksta struktūrose, vadinamose mitochondrijomis. Manoma, kad šie mažyčiai organai kažkada buvo nepriklausomi organizmai, kurie tam tikru metu buvo įtraukti į ląsteles tolimoje praeityje. Kiekviena piruvato molekulė, naudojant NAD+, paverčiama junginiu, vadinamu acetilkoA, prarandant anglies ir du deguonies atomus, kad susidarytų anglies dioksidas kaip atliekos ir dar viena NADH molekulė.
Krebso ciklas
Kitas etapas vadinamas Krebso ciklu, taip pat žinomas kaip trikarboksirūgšties (TCA) arba citrinos rūgšties ciklas. Acetil-coA iš piruvato jungiasi su junginiu, vadinamu oksaolacetatu, kad susidarytų citratas arba citrinos rūgštis, kuri, atlikdama keletą etapų, susijusių su NAD+, gamina ATP, taip pat NADH ir kitą molekulę, vadinamą FADH2, kuri atlieka panašią funkciją. Dėl to citrinų rūgštis vėl paverčiama oksaloacetatu, kad ciklas vėl prasidėtų. Kiekvienas užbaigtas ciklas iš dviejų piruvato molekulių gamina dvi ATP, aštuonias NADH ir dvi FADH2 molekules.
Elektronų transportavimo fosforilinimas
Paskutinis etapas žinomas kaip elektronų pernešimo fosforilinimas arba oksidacinis fosforilinimas. Šiuo proceso momentu NADH ir FADH2 pernešami elektronai yra naudojami energijai gauti fosfato grupėms prijungti prie ADP molekulių, kad susidarytų iki 32 ATP molekulių. Tai vyksta mitochondrijų membranoje per penkis baltymus, per kuriuos pernešami elektronai. Norint juos pašalinti proceso pabaigoje, reikalingas deguonis, kuris lengvai priima elektronus. Tada deguonis susijungia su vandenilio jonais, išsiskiriančiais iš NADH, sudarydamas vandenį.
Efektyvumas
Apskritai, aerobinio kvėpavimo procesas teoriškai gali pagaminti iki 36 energiją kaupiančių ATP molekulių kiekvienai gliukozės molekulei, palyginti su tik dviem anaerobiniam kvėpavimui, todėl tai yra daug energiją taupantis procesas. Tačiau praktikoje manoma, kad paprastai susidaro apie 31 ar 32 ATP molekulės, nes paskutinėse stadijose gali vykti ir kitos reakcijos. Nors šis procesas yra labai efektyvus energijos gamybos ir saugojimo būdas, jis taip pat gamina nedidelius kiekius labai reaktyvių deguonies formų, žinomų kaip peroksidai ir superoksidai. Jie gali pakenkti ląstelėms, ir kai kurie mokslininkai mano, kad jie gali būti susiję su senėjimu ir kai kuriomis ligomis.