Η κυτταρική αναπνοή είναι η διαδικασία με την οποία οι ζωντανοί οργανισμοί λαμβάνουν ενέργεια από την τροφή. Υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι. Η αερόβια αναπνοή – που χρησιμοποιείται από όλες τις πολυκύτταρες και μερικές μονοκύτταρες μορφές ζωής – χρησιμοποιεί οξυγόνο στην ατμόσφαιρα ή διαλυμένο στο νερό, ως μέρος μιας πολύπλοκης διαδικασίας που απελευθερώνει και αποθηκεύει ενέργεια. Η αναερόβια αναπνοή χρησιμοποιείται από διάφορους μονοκύτταρους οργανισμούς και δεν περιλαμβάνει ασυνδυασμένο οξυγόνο.
Η εμφάνιση της αερόβιας αναπνοής
Οι πρώτες μορφές ζωής στη Γη εμφανίστηκαν σε έναν κόσμο χωρίς ελεύθερο οξυγόνο. Χρησιμοποίησαν αναερόβιες διεργασίες για να εφοδιαστούν με ενέργεια. Σε κάποιο σημείο, ακόμη νωρίς στην ιστορία της Γης, εξελίχθηκαν οργανισμοί που χρησιμοποίησαν φωτοσύνθεση για να παράγουν μόρια σακχάρου χρησιμοποιώντας διοξείδιο του άνθρακα, που λαμβάνεται από την ατμόσφαιρα, και το νερό. Η ζάχαρη χρησίμευε ως πηγή ενέργειας και η διαδικασία παρήγαγε οξυγόνο ως υποπροϊόν. Το οξυγόνο ήταν τοξικό για πολλούς αναερόβιους οργανισμούς, αλλά ορισμένοι εξελίχθηκαν για να το χρησιμοποιούν σε ένα νέο είδος αναπνοής που στην πραγματικότητα παρείχε πολύ περισσότερη ενέργεια από την αναερόβια διαδικασία.
Οι πρώτες μορφές ζωής αποτελούνταν από κύτταρα που δεν είχαν πυρήνες ή άλλες σαφώς καθορισμένες δομές. Αυτά είναι γνωστά ως προκαρυώτες και περιλαμβάνουν οργανισμούς όπως βακτήρια και κυανοβακτήρια, γνωστά και ως μπλε-πράσινα φύκια. Αργότερα, εμφανίστηκαν κύτταρα με πυρήνες και άλλες δομές. αυτοί είναι γνωστοί ως ευκαρυώτες. Περιλαμβάνουν ορισμένους μονοκύτταρους και όλους τους πολυκύτταρους οργανισμούς, όπως φυτά και ζώα. Όλοι οι ευκαρυώτες και ορισμένοι προκαρυώτες χρησιμοποιούν αερόβια αναπνοή.
Πώς λειτουργεί η αερόβια αναπνοή
Τα κύτταρα αποθηκεύουν ενέργεια σε ένα μόριο που ονομάζεται τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP). Αυτή η ένωση περιέχει τρεις φωσφορικές ομάδες (PO4), αλλά μπορεί να απελευθερώσει ενέργεια χάνοντας μία από αυτές για να σχηματίσει διφωσφορική αδενοσίνη (ADP). Αντίθετα, η ADP μπορεί να αποκτήσει μια ομάδα φωσφορικών για να γίνει ATP, αποθηκεύοντας έτσι ενέργεια.
Ένα άλλο σημαντικό μόριο είναι το δινουκλεοτίδιο νικοτιναμίδης αδενίνης. Μπορεί να υπάρχει σε δύο μορφές: NAD+, το οποίο μπορεί να δεχτεί δύο ηλεκτρόνια και ένα ιόν υδρογόνου (H+) για να σχηματίσει NADH, το οποίο μπορεί να δώσει ηλεκτρόνια σε άλλα μόρια. Η ένωση χρησιμοποιείται στην αναπνοή για τη μεταφορά ηλεκτρονίων από το ένα μέρος στο άλλο.
Το σημείο εκκίνησης για την αναπνοή είναι η γλυκόζη (C6H12O6), ένας από τους απλούστερους υδατάνθρακες. Πιο πολύπλοκα μόρια ζάχαρης στα τρόφιμα αρχικά διασπώνται σε αυτή την ένωση. Η γλυκόζη με τη σειρά της διασπάται από μια διαδικασία που ονομάζεται γλυκόλυση, η οποία λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα, ή κυτταρικό υγρό, και είναι κοινή τόσο στην αναερόβια όσο και στην αερόβια αναπνοή.
Γλυκόλυση
Η διαδικασία γλυκόλυσης χρησιμοποιεί δύο μόρια ATP για να μετατρέψει τη γλυκόζη, η οποία έχει έξι άτομα άνθρακα, σε δύο μόρια τριών άνθρακα μιας ένωσης που ονομάζεται πυροσταφυλικό σε μια σειρά βημάτων. Στο τέλος αυτής της διαδικασίας, παράγονται τέσσερα μόρια ATP, έτσι ώστε να υπάρχει ένα συνολικό κέρδος δύο ATP, το οποίο αντιπροσωπεύει ένα κέρδος στην αποθηκευμένη ενέργεια. Η γλυκόλυση οδηγεί επίσης σε δύο μόρια NAD+ που το καθένα παίρνει δύο ηλεκτρόνια και ένα ιόν υδρογόνου από τη γλυκόζη για να σχηματίσει NADH. Συνολικά, επομένως, η γλυκόλυση έχει ως αποτέλεσμα δύο μόρια πυροσταφυλικού, δύο ATP και δύο NADH.
Στα ευκαρυωτικά κύτταρα, τα υπόλοιπα στάδια της αερόβιας αναπνοής λαμβάνουν χώρα σε δομές γνωστές ως μιτοχόνδρια. Αυτά τα μικροσκοπικά όργανα πιστεύεται ότι ήταν κάποτε ανεξάρτητοι οργανισμοί που είχαν ενσωματωθεί στα κύτταρα κάποια στιγμή στο μακρινό παρελθόν. Κάθε μόριο πυροσταφυλικού μετατρέπεται, με τη βοήθεια NAD+, σε μια ένωση που ονομάζεται ακετυλ coA, χάνοντας έναν άνθρακα και δύο άτομα οξυγόνου για να σχηματίσει διοξείδιο του άνθρακα ως απόβλητο προϊόν και σχηματίζοντας ένα άλλο μόριο NADH.
Ο κύκλος του Krebs
Το επόμενο στάδιο ονομάζεται κύκλος Krebs, γνωστός και ως κύκλος τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA) ή κιτρικού οξέος. Το ακετύλιο coA από το πυροσταφυλικό συνδυάζεται με μια ένωση που ονομάζεται οξοοξικό για να παράγει κιτρικό ή κιτρικό οξύ, το οποίο, σε μια σειρά βημάτων που περιλαμβάνουν NAD+, παράγει ATP καθώς και NADH και ένα άλλο μόριο που ονομάζεται FADH2, το οποίο έχει παρόμοια λειτουργία. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το κιτρικό οξύ να μετατρέπεται ξανά σε οξαλοξικό για να ξεκινήσει ξανά ο κύκλος. Κάθε ολοκληρωμένος κύκλος παράγει δύο μόρια ATP, οκτώ NADH και δύο FADH2 από δύο μόρια πυροσταφυλικού.
Φωσφορυλίωση μεταφοράς ηλεκτρονίων
Το τελικό στάδιο είναι γνωστό ως φωσφορυλίωση μεταφοράς ηλεκτρονίων ή οξειδωτική φωσφορυλίωση. Σε αυτό το σημείο της διαδικασίας, τα ηλεκτρόνια που μεταφέρονται από το NADH και το FADH2 χρησιμοποιούνται για την παροχή ενέργειας για τη σύνδεση φωσφορικών ομάδων σε μόρια ADP για την παραγωγή έως και 32 μορίων ATP. Αυτό λαμβάνει χώρα στη μεμβράνη του μιτοχονδρίου μέσω μιας σειράς πέντε πρωτεϊνών, μέσω των οποίων μεταφέρονται τα ηλεκτρόνια. Το οξυγόνο, το οποίο δέχεται εύκολα ηλεκτρόνια, απαιτείται για να τα αφαιρέσει στο τέλος της διαδικασίας. Το οξυγόνο στη συνέχεια συνδυάζεται με ιόντα υδρογόνου που απελευθερώνονται από το NADH για να σχηματίσουν νερό.
Αποδοτικότητα
Συνολικά, η διαδικασία αερόβιας αναπνοής μπορεί, θεωρητικά, να παράγει έως και 36 μόρια αποθήκευσης ενέργειας ATP για κάθε μόριο γλυκόζης, σε σύγκριση με μόλις δύο για την αναερόβια αναπνοή, καθιστώντας την μια πολύ πιο ενεργειακά αποδοτική διαδικασία. Στην πράξη, ωστόσο, θεωρείται ότι παράγονται συνήθως περίπου 31 ή 32 μόρια ATP, καθώς άλλες αντιδράσεις μπορούν να πραγματοποιηθούν στα τελικά στάδια. Αν και αυτή η διαδικασία είναι ένας εξαιρετικά αποτελεσματικός τρόπος παραγωγής και αποθήκευσης ενέργειας, παράγει επίσης μικρές ποσότητες πολύ αντιδραστικών μορφών οξυγόνου, γνωστών ως υπεροξείδια και υπεροξείδια. Αυτά είναι δυνητικά επιβλαβή για τα κύτταρα και ορισμένοι επιστήμονες πιστεύουν ότι μπορεί να εμπλέκονται στη γήρανση και σε ορισμένες ασθένειες.