Aerobik Solunum: Aerobik Solunum Mekanizması Açıklandı!

Aerobik solunum mekanizmaları hakkında bilgi edinmek için bu makaleyi okuyun!

Solunum glukozla başlar (genellikle). Aerobik ve anaerobik solunumda, başlangıçtaki reaksiyonlar, glukozun parçalanmasıyla piruvik asidin oluştuğu sonucu yaygındır.

Süreci Glikoliz veya EMP Yolu (Embden-Meyerhof-Parnas Yolu) olarak adlandırılır. Bu işlem O ₂ gerektirmez, ancak bu oksijen varlığında gerçekleşebilir. Bu aşamadan sonra, piruvik asitin kaderi, oksijenin varlığına veya yokluğuna bağlı olarak farklıdır.

Oksijen varsa, piruvik asidin H20 ve CO2'ye tamamen oksidasyonu ve bunun meydana geldiği kimyasal reaksiyonlara Tri-Karboksilik Asit döngüsü (TCA Döngüsü) veya Krebs Döngüsü denir. Bu döngü mitokondride meydana gelir. Oksijen yoksa, piruvik asit, herhangi bir hücre organelinin yardımı olmadan etil alkol (C2H5OH) ve C02 oluşturur. Bu sürece anaerobik solunum denir.

Aerobik Solunum:

Aerobik solunum, organik yiyeceklerin karbondioksit ve suya oksidasyonunu terminal oksidan olarak tamamlayan oksidasyonun aşamalı katabolik işleminde enzimatik olarak kontrol edilen bir enerji salımıdır. Aerobik solunumun ortak mekanizmasına ortak yol da denir, çünkü glikoliz denilen ilk adımı hem aerobik hem de anaerobik solunum modlarında ortaktır. Ortak aerobik solunum, üç adımdan oluşur: glikoliz, Krebs döngüsü ve terminal oksidasyonu.

Glikoliz:

Ayrıca EMP yolu olarak da adlandırılır, çünkü üç Alman bilim adamı Embden, Meyerhof ve Parnas tarafından keşfedilmiştir. Glikoliz, glukozun veya benzer heksoz şekeri'nin, bir miktar enerji açığa çıkaran (ATP olarak) ve azaltma gücünü (NADH2 olarak) bir dizi enzim aracılı reaksiyonlar vasıtasıyla piruvik asit moleküllerine parçalama işlemidir. Sitoplazmada ortaya çıkar. Aşağıdaki alt adımda gerçekleşir.

1. Fosforilasyon:

Glikoz, enzim hekzokinaz (Meyerhof, 1927) veya glukokinaz (örn., Karaciğer) ve Mg2 ⁺ varlığında ATP tarafından glikoz-6-fosfata fosforile edilir.

2. İzomerizasyon:

Glukoz-6-fosfat, fosfoheksoz izomeraz enziminin yardımıyla izomer fruktoz-6-fosfat ile değiştirilir.

Fruktoz-6-fosfat ayrıca, fruktozun enzim fruktokinaz yardımıyla fosforilasyonuyla doğrudan üretilebilir.

3. Fosforilasyon:

Fruktoz-6-fosfat, enzim fosfokrofrukto-kinaz ve Mg2 ⁺ varlığında ATP aracılığıyla ayrıca fosforile edilir. Ürün Fruktoz-1, 6 difosfattır.

4. Bölme:

Fruktoz-6, 6-difosfat, her biri 3-karbon bileşiği, gliseraldehit 3-fosfat (= GAP veya 3-fosfogliseraldehit = PGAL) ve dihidroksi aseton 3-fosfattan (DIHAP) oluşan bir molekül oluşturmak üzere enzimatik olarak ayrılır. Sonuncusu ayrıca enzim trioz fosfat izomeraz (= fosfotioz izomeraz) ile gliseraldehit 3-fosfata değiştirilir.

5. Dehidrojenasyon ve Fosforilasyon:

Enzim gliseraldehit fosfat dehidrojenaz varlığında, gliseraldehit 3-fosfat, NAD'yi oluşturmak için NAD'yi hidrojeni kaybeder ve 1, 3-difosfogliserik asit oluşturmak için inorganik fosfat kabul eder.

6. ATP'nin Oluşumu:

Yüksek enerji bağı ile bağlanmış iki difosfolez asit fosfatından biri. ATP'yi sentezleyebilir ve 3-fosfogliserik asit oluşturabilir. Enzim fosfogliseril inazdır. ATP'nin metabolitlerden doğrudan sentezlenmesine substrat seviyesi fosforilasyon denir.

7. İzomerizasyon:

3-fosfogliserik asit, izomer 2-fosfogliserik asidine, zy fosfogliseromutaz ile değiştirilir.

8. Dehidrasyon:

Enzlaz enzimi aracılığı ile 2-fosfogliserik asit, fosfoenol piruvat'a (PEP) dönüştürülür. İşlemde bir su molekülü kaldırılır. Mg2 ⁺ gereklidir.

9. ATP'nin Oluşumu:

Fosfoenol piruvat oluşumu sırasında fosfat radikali enerji alır. Substrat seviyesinde fosforilasyon ile ATP üretiminde yardımcı olur. Enzim piruvik kinazdır. Fosfoenol piruvattan piruvat üretir.

Glikolizin Net Ürünleri:

Glikolizde fruktoz-1, 6 difosfat oluşturmak üzere iki glikoz fosforilasyonu sırasında iki ATP molekülü tüketilir. Buna karşılık olarak dört ATP molekülü, substrat seviyesinde fosforilasyon ile üretilir (1, 3-difosfolgerikerik asidin 3-fosfogliserik aside ve fosfenol piruvatın piruvat'a dönüşümü). Gliseraldehit 3-fosfatın 1, 3-difosfogliserik aside oksidasyonu sırasında iki NADH2 molekülü oluşur. Net reaksiyon aşağıdaki gibidir:

Glikoz + 2NAD ⁺ + 2ADP + 2H ₃ PO4 + 2H ₃ PO ₄ -> 2 Piruvat + 2NADH + 2H ⁺ + 2ATP

Krebs döngüsü:

Döngü Hans Krebs tarafından keşfedildi (1937, 1940, Nobel Ödülü 1953). Mitokondri içinde oluşur. Döngü, ilk üründen sonra sitrik asit döngüsü veya trikarboksilik asit (TCA) döngüsü olarak da adlandırılır. Krebs döngüsü adım adım oksidatif ve piruvattan türetilmiş aktif asetatın siklik şekilde bozulmasıdır.

Piruvat'ın Asetil-CoA'ya Yükseltgenmesi:

Piruvat, mitokondriye girer. C02 ve NADH üretmek için oksidatif olarak dekarboksilatlanır. Ürün asetil CoA veya aktifleştirilmiş asetat oluşturmak için koenzim A içeren sülfürle birleşir. Reaksiyon, bir enzim kompleksi piruvat dehidrojenazın (bir dekarboksilaz, lipoik asit, TPP, işlemetilaz ve Mg2 ^{+ 'den oluşan} ) varlığında oluşur.

Asetil CoA, Krebs döngüsü için substrat girişi olarak işlev görür. Krebs döngüsünün alıcı molekülü 4-karbonlu bir bileşik oksaloasetattır. Bordür döngüsü iki dekarboksilasyon ve dört dehidrojenerasyon içerir. Krebs döngüsünün çeşitli bileşenleri aşağıdaki gibidir.

1. Yoğuşma:

Asetil CoA (2-karbon bileşiği), sitrik asit olarak adlandırılan bir trikarboksilik 6-karbon bileşiği oluşturmak üzere, yoğunlaştırıcı enzim sitrat sentetaz varlığında okalo-asetat (4-karbon bileşiği) ile birleşir. Krebs döngüsünün ilk ürünüdür. CoA serbest bırakıldı.

2. Dehidrasyon:

Sitrat, aconitase oluşturan cis aconitate salma suyunun mevcudiyetinde yeniden düzenlemeye tabi tutulur.

3. Hidrasyon:

Cis-aconitate, demir içeren enzim aconitase varlığında su ilavesiyle izositrat haline dönüştürülür.

4. Dehidrojenasyon:

İzositrat, enzim izositrat dehidrojenaz ve Mn2 ⁺ varlığında oksalosüksinat ile dehidrojenleştirilir. NADH ₂ (NADPH ₂ ) bazı işçilere göre) üretilmektedir.

5. Dekarboksilasyon:

Oksalosüksinat, enzim dekarboksilaz yoluyla bir ketoglutarat oluşturmak üzere dekarboksilatlanır. Karbondioksit serbest bırakıldı.

6. Dehidrojenasyon ve Dekarboksilasyon:

α-Ketoglutarat hem dehidrojenleştirilir (NAD ^{+ '} nın yardımı ile) ve bir kompleks kompleks a-ketoglutarat dehidrojenaz ile dekarboksilatlanır. Enzim kompleksi TPP ve lipoik asit içerir. Ürün süksinil CoA oluşturmak için CoA ile birleşir.

7. ATP / GTP'nin Oluşumu:

Süksinil CoA, süksinat oluşturmak üzere süksinil tiyokinaz enzimi ile etkilenir. Reaksiyon, ATP (bitkilerde) veya GTP (hayvanlarda) oluşturmak için yeterli miktarda enerji verir.

8. Dehidrojenasyon:

Süksinat bir dehidrojenazın yardımıyla fumarat oluşturmak için dehidrojenasyona uğrar. FADH2 (azaltılmış flavin adenin dinükleotidi) üretilir.

Süksinat + FAD Süksinat, → Dehidrojenaz, Fumarat + FADH ₂

9. Hidrasyon:

Malat oluşturmak için fumarat içerisine bir su molekülü ilave edilir. Enzime fumaraz denir.

10. Dehidrojenasyon:

Malat, oksaloasetat üretmek üzere malat dehidrojenazın ajanı vasıtasıyla dehidrojenatlanır veya oksitlenir. Hidrojen NADP ⁺ NAD ⁺ tarafından kabul edilir

Oksaloasetat çevrimi tekrarlamak için başka bir aktif asetat molekülü alır.

Glikozun bir molekülü, glikoliz sırasında iki NADH2, 2ATP molekülü ve iki piruvat verir. İki piruvat molekülü, Krebs döngüsünde iki ATP, 8NADH2 ve 2FADH2 molekülü oluşturmak üzere tamamen ayrışır.

Glikoz + 4ADP + 4H3PO4 + 10NAD ⁺ + 2FAD -> 6CO ₂ + 4ATP + 10NADH + 10H ⁺ + 2FADH ₂

Terminal Oksidasyonu:

Katabolik işlemin sonuna doğru gerçekleşen ve hem elektronların hem de indirgenmiş koenzimlerin protonlarının oksijene geçişini içeren aerobik solunumda bulunan oksidasyon adıdır.

Terminal oksidasyonu iki işlem elektron taşınması ve oksidatif fosforilasyondan oluşur.

Elektron taşıma zinciri:

İç mitokondrial membran, elektron ve proton taşıyan enzimlerden oluşan gruplar içerir. Her grupta, enzimler elektron taşıma zinciri (ETC) veya mitokondriyal solunum zinciri veya elektron taşıma sistemi (ETS) adı verilen belirli bir seride düzenlenir.

Bir elektron taşıma zinciri veya sistemi, bir kimyasaldan nihai alıcısına elektronların geçişinde yer alan bir dizi koenzim ve sitokromdur. Elektronların bir enzimden veya sitokromdan diğerine geçişi, her adımda enerji kaybı olan yokuş aşağı bir yolculuktur. Her adımda, elektron taşıyıcıları, tatları, demir kükürt komplekslerini, kinonları ve sitokromları içerir.

Bunların çoğu prostetik protein gruplarıdır. Kinonlar oldukça hareketli elektron taşıyıcılarıdır. Dört enzim elektron taşınmasında rol oynar - (i) NADH-Q redüktaz veya NADH-dehidrojenaz (ii) Süksinat Q-redüktaz kompleksi (iii) QH2-sitokrom c redüktaz kompleksi (iv) Sitokrom c oksidaz kompleksi. NADH-Q redüktaz (veya NADH-dehidrojenaz) iki protez grubuna sahiptir; flavin mononükleotit (FMN) ve demir kükürt (Fe-S) kompleksleri. Hem elektronlar hem de protonlar NADH2'den FMN'ye geçer. İkincisi azalır.

NADH + H ⁺ + FMN ——> FMNH ₂ + NAD ⁺

Elektron şimdi FeS kompleksine ve oradan da bir kinona geçer. Ortak kinon, ubiquinone (UQ) olarak da adlandırılan ko-enzim Q'dur.

FMNH ₂ + 2Fe ³⁺ S ——> FMN + 2Fe ²⁺ S + 2H ⁺

2Fe ²⁺ S + Q + 2H ⁺ ——> 2Fe ³⁺ S + QH ₂

Süksinatın azaltılması sırasında üretilen FADH ₂, elektronlarını ve protonlarını FeS kompleksi yoluyla koenzim Q'ya verir. Enzim süksinat-Q redüktaz kompleksidir.

FADH ₂ + 2Fe ³⁺ S ——> 2Fe ²⁺ S + 2H ⁺ + FAD

2Fe ²⁺ S + Q + 2H ⁺ ——> 2Fe ³⁺ S + QH ₂

QH ₂ -sitokrom c redüktaz kompleksi üç bileşene sahiptir - sitokrom b, FeS kompleksi ve sitokrom c ₁ . Koenzim Q ayrıca FeS kompleksi ve sitokrom cı arasında da yer alabilir.

QH ₂ + 2Fe ³ + cyt.b ——> Q + 2H ⁺ + 2Fe ² + cyt.b

2Fe ² + cyt.b + 2Fe ³⁺ S ——> 2Fe ³ + cyt.b + 2Fe ² + S

2Fe ^{2 +} S + Q + 2H ⁺ ——> 2Fe ³ + S + QH ₂ (?)

QH ₂ + 2Fe ^{3 +} cyt.c ₁ ——> Q + 2H ⁺ + 2Fe ²⁺ cyt.c ₁

Sitokrom c ₁ elektronunu sitokrom c'ye verir. Ko-enzim Q gibi, sitokrom c de elektronların mobil taşıyıcısıdır.

2Fe ^{2 +} cyt.c ₁ + 2Fe ³⁺ cyt.c ——> 2Fe ³ cyt.c ₁ + 2Fe ²⁺ cyt.c

Sitokrom c oksidaz kompleksi, sitokrom a ve sitokrom a3 içerir. Sitokrom a ₃ de bakır içerir. Sonuncusu elektronun oksijene transferine yardımcı olur.

2Fe ^{2 +} cyt.c + 2Fe ³⁺ cyt.a ——> 2Fe ^{3 +} cyt.c + 2Fe ²⁺ Cyt.a

2Fe ^{2 +} cyt.a + 2Fe ³⁺ cyt.a ₃ Cu ²⁺ ——> 2Fe ³⁺ cyt.a + 2Fe ²⁺ cyt.a ₃ Cu ²⁺

2Fe ² cyt.a ₃ Cu ²⁺ ——> 2Fe ³ cyt.c ₃ Cu ^{1 +}

2Fe ³ cyt.a ₃ Cu ¹⁺ + [O] ——> 2Fe ³⁺ cyt.a ₃ Cu ²⁺ + [O]

Oksijen elektronların nihai alıcısıdır. Reaktif hale gelir ve metabolik su oluşturmak için protonlarla birleşir.

2H ⁺ + O ”——–> 2H ₂ O

Elektronların bir taşıyıcıdan diğerine geçişi sırasında salınan enerji, iç mitokondriyal zarın matris tarafından dış odaya protonları ((H ⁺ ) pompalayan spesifik transmembran kompleksleri için kullanılabilir.) Bu üçe karşılık gelen üç bölge vardır. elektron taşıma zincirinde mevcut olan enzimler (NADH-Q redüktaz, QH2-sikteksrome c redüktaz ve sitokrom c-oksidaz).

Bu, iç odadaki veya iç mitokondriyal zarın dış yüzeyindeki proton konsantrasyonunu arttırır. İç mitokondriyal zarın dış ve iç taraflarındaki proton konsantrasyonundaki fark, proton gradyanı olarak bilinir.

Oksidatif fosforilasyon:

Oksidatif fosforilasyon, solunumda üretilen indirgenmiş ko-enzimlerin (NADH2, FADH2) oksidasyonu sırasında serbest kalan enerji yardımı ile enerji bakımından zengin ATP moleküllerinin sentezidir. Bu sentez için gerekli olan enzime ATP sentetaz denir.

İç mitokondriyal zarda bulunan F1 veya F0-F1 baş parçasında veya temel partiküllerde bulunur. ATP-sentetaz, ATP oluşumunda aktif hale gelir, ancak F1 tarafına kıyasla daha yüksek H ⁺ veya proton konsantrasyonuna sahip olan bir proton gradyanının olduğu durumlarda aktif hale gelir (F1 tarafına göre daha yüksek H ⁺ veya proton gradyanı) (Peter Mitchel, 1961'in kemiyomotik hipotezi).

Proton konsantrasyonu, elektronların bir taşıyıcıdan diğerine geçişi yoluyla serbest bırakılan enerji yardımıyla protonların bastırılması yoluyla iç mitokondriyal zarın dış odasında veya dış yüzeyinde üretilir.

Elektronların nadh _2'den ETC'ye taşınması, üç çift protonun dış bölmeye itilmesinde yardımcı olurken, iki proton fadh _2'den elektron akışı sırasında dışarıya doğru gönderilir (ikincisi elektronlarını ETC'ye doğru uzatırken).

Dış odadaki daha yüksek proton konsantrasyonu, protonların iç zardan içeriye doğru matris veya iç odaya geçmesine neden olur. İkincisi, F-F1 partiküllerinin FQ (tabanı) bölgesinde özel proton kanallarına sahiptir.

Protonların F ₀ kanalı boyunca akışı F, parçacıkların ATP-sentetaz olarak işlev görmesine neden olur. Proton gradyanının enerjisi, yüksek enerji bağı ile ADP'ye bir fosfat kökünün tutturulmasında kullanılır. Bu ATP üretir. Bir NADH2 molekülünün oksidasyonu 3 ATP molekülü üretirken, benzer bir FADH2 oksidasyonu 2 ATP molekülü oluşturur.

Glikoliz sırasında 2 ATP molekülü ve çift Krebs döngüsü sırasında 2 ATP (GTP) molekülü üretilir. Glikoliz ayrıca 2NADH2'yi oluşturur. ATP sentezi için indirgeme gücü mitokondriye aktarılır. Bunun için bir mekik sistemi iç mitokondri zarında çalışır. (i) NADH ₂ -> NAD -> NADH ₂ . (ii) NADH ₂ -> FAD -> FADH ₂ .

İlki karaciğer, kalp ve böbrek hücrelerinde çalışır. Enerji harcanmaz. İkinci yöntem kas ve sinir hücrelerinde gerçekleşir. 2ATP molekülleri ile 2NADH2'nin enerji seviyesini düşürür. Aerobik solunumda toplam 10 NADH2 ve 2FADH2 molekülü oluşur.

34 ATP molekülünün oluşumuna yardımcı olurlar. Kas ve sinir hücrelerinde bir glikoz molekülünün tamamen oksidasyonundan elde edilen net kazanç 36 ATP molekülüdür (10 NADH2 = 30 ATP, 2 FADH2 = 4 ATP, dördü glikoliz ve Krebs döngüsünde substrat seviyesinde fosforilasyon ile oluşturulmuş ve ikisi tüketilmiştir. NADH2 moleküllerinin mitokondriye taşınması).

Prokaryotlarda, kalp, karaciğer ve böbreklerde, okside olmuş glukoz molekülleri başına 38 ATP molekülü üretilir. ATP moleküllerinin mitokondri içerisinden sitoplazmaya geçişi kolay difüzyondan geçer.

Çünkü bir ATP molekülü 8.9 kcal / mol (erken tahminlere göre 7 kcal / mol) depolar çünkü gmol glikoz başına düşen toplam enerji 338.2 kcal (266 kcal) veya% 49.3'lük bir verimdir (eski tahminlere göre% 38.8) . Enerjinin geri kalanı ısı olarak kaybolur.

Krebs Döngüsünün Önemi:

1. Enerji üreten bir sistem olarak hizmet etmenin yanı sıra, Krebs döngüsü bir dizi biyosentetik reaksiyon için başlangıç ​​noktası olarak görülen birkaç madde verir. Normalde Krebs solunum döngüsü doğada katabolik olarak kabul edilir, ancak anabolik yollar için bir dizi ara madde sağlar. Bu nedenle Krebs döngüsü amfiboliktir (hem katabolik hem de anabolik). Aşağıda birkaç örnek verilmiştir:

(a) Sükrozun glikolitik asit siklusu yoluyla sentezi, bunun bir örneğidir. Hafifçe değiştirilmiş bir Krebs döngüsü, glikoksilat, malat, oksaloasetat, fosfoenol piruvat oluşumuna yol açar ve sonra ters bir glikolitik yolla sakaroz oluşur.

(b) Krebs döngüsünde iki keto asit vardır ve aminasyonda ilgili amino asitleri-Pyruvic asit -> alanini verir; Oksaloasetik asit -> aspartik asit; ve oc-ketoglutarik asit -> glutamik asit.

Bunların sonuncusu, glutamin, ornitin, prolin, hidroksiprolin, sitruilin ve arginin sentezine yol açan yeni yollar açar.

(c) Süksinil-CoA, birçok porfirin biyosentezi için başlangıç ​​noktasıdır.

2. Krebs döngüsü, karbonhidratların, yağ asitlerinin ve amino asitlerin oksidatif parçalanmasının yaygın bir yoludur.