Zellatmung ist der Satz der metabolischen Reaktionen und Prozesse, die in den Zellen von Organismen stattfinden, um biochemische Energie von Nährstoffen in Adenosin triphosphate (ATP) umzuwandeln, und dann Abfallprodukte zu veröffentlichen. Die an der Atmung beteiligten Reaktionen sind catabolic Reaktionen, die große Moleküle in kleinere brechen, Energie im Prozess veröffentlichend, wie sie energiereiche Obligationen brechen. Atmung ist einer des Schlüssels auf Weisen eine Zelle gewinnt nützliche Energie, Zelltätigkeit Brennstoff zu liefern.

Chemisch wird Zellatmung als ein exothermic redox als Reaktion betrachtet. Die gesamte Reaktion wird in viele kleinere gebrochen, wenn sie im Körper vorkommt, von denen die meisten redox Reaktionen selbst sind. Obwohl technisch Zellatmung eine Verbrennen-Reaktion ist, ähnelt sie klar demjenigen nicht, wenn sie in einer lebenden Zelle vorkommt. Dieser Unterschied ist auf Grund dessen, dass er in vielen getrennten Schritten vorkommt. Während die gesamte Reaktion ein Verbrennen ist, ist keine einzelne Reaktion, die sie umfasst, eine Verbrennen-Reaktion.

Nährstoffe, die vom Tier und den Pflanzenzellen in der Atmung allgemein verwendet werden, schließen Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren ein, und ein allgemeines Oxidieren-Reagenz (Elektronenakzeptor) ist molekularer Sauerstoff (O). Bakterien und archaea können auch lithotrophs sein, und diese Organismen können das Verwenden einer breiten Reihe von anorganischen Molekülen als Elektronendonatoren und Annehmer, wie Schwefel, Metallionen, Methan oder Wasserstoff einatmen. Organismen, die Sauerstoff als ein Endelektronenakzeptor in der Atmung verwenden, werden als aerobic beschrieben, während diejenigen, die nicht tun, anaerobic genannt werden.

Die in der Atmung veröffentlichte Energie wird verwendet, um ATP zu synthetisieren, um diese Energie zu versorgen. Die in ATP versorgte Energie kann dann an Treiberprozesse gewöhnt sein, die Energie, einschließlich der Biosynthese, der Ortsveränderung oder des Transports von Molekülen über Zellmembranen verlangen.

Atmung von Aerobic

Atmung von Aerobic verlangt Sauerstoff, um Energie (ATP) zu erzeugen. Obwohl Kohlenhydrate, Fette und Proteine alle bearbeitet und als Reaktionspartner verbraucht werden können, ist es die bevorzugte Methode der pyruvate Depression in glycolysis und verlangt, dass pyruvate in den mitochondrion eingehen, um durch den Zyklus von Krebs völlig oxidiert zu werden. Das Produkt dieses Prozesses ist Energie in der Form von ATP (Adenosin triphosphate), durch das Substrat-Niveau phosphorylation, NADH und FADH

Der negative ΔG zeigt an, dass die Reaktion spontan vorkommen kann.

Das abnehmende Potenzial von NADH und FADH wird zu mehr ATP durch eine Elektrontransportkette mit Sauerstoff als der "Endelektronenakzeptor" umgewandelt. Die meisten durch die aerobic Zellatmung erzeugten ATP werden durch oxidative phosphorylation gemacht. Das arbeitet durch die Energie, die im Verbrauch von pyruvate veröffentlicht ist, der wird pflegt, ein chemiosmotic Potenzial durch das Pumpen von Protonen über eine Membran zu schaffen. Dieses Potenzial wird dann verwendet, um ATP synthase zu steuern und ATP von ADP und einer Phosphatgruppe zu erzeugen. Biologie-Lehrbücher stellen häufig fest, dass 38 ATP Moleküle pro oxidiertes Traubenzucker-Molekül während der Zellatmung (2 von glycolysis, 2 vom Zyklus von Krebs und ungefähr 34 vom Elektrontransportsystem) gemacht werden können. Jedoch wird dieser maximale Ertrag wegen Verluste (undichte Membranen) sowie die Kosten nie ganz erreicht, pyruvate zu bewegen, und ADP in die mitochondrial aktuellen und Matrixschätzungen ordnen ungefähr 29 bis 30 ATP pro Traubenzucker an.

Metabolismus von Aerobic ist bis zu 15mal effizienter als anaerobic Metabolismus (der 2 mol ATP pro 1 mol Traubenzucker nachgibt). Sie teilen den anfänglichen Pfad von glycolysis, aber aerobic Metabolismus geht mit dem Zyklus von Krebs und oxidative phosphorylation weiter. Der Posten glycolytic Reaktionen findet im mitochondria in eukaryotic Zellen, und im Zytoplasma in prokaryotic Zellen statt.

Glycolysis

Glycolysis ist ein metabolischer Pfad, der im cytosol von Zellen in allen lebenden Organismen stattfindet. Dieser Pfad verlangt Sauerstoff nicht, und kann deshalb unter anaerobic Bedingungen fungieren. Der Prozess wandelt ein Molekül von Traubenzucker in zwei Moleküle von pyruvate (Brenztraubensäure) um, Energie in der Form von zwei Nettomolekülen von ATP erzeugend. Vier Moleküle von ATP pro Traubenzucker werden wirklich erzeugt; jedoch, zwei werden als ein Teil der Vorbereitungsphase verbraucht. Die Initiale phosphorylation Traubenzuckers ist erforderlich, das Molekül für die Spaltung in zwei pyruvate zu destabilisieren. Während der Belohnungsphase von glycolysis werden vier Phosphatgruppen ADP durch das Substrat-Niveau phosphorylation übertragen, um vier ATP zu machen, und zwei NADH werden erzeugt, wenn die pyruvate oxidiert werden. Die gesamte Reaktion kann dieser Weg ausgedrückt werden:

:Glucose + 2 NAD + 2 P + 2 ADP  2 pyruvate + 2 NADH + 2 ATP + 2 H + 2 HO + heizen

Decarboxylierung von Oxidative von pyruvate

Pyruvate wird zu Acetyl-CoA und CO durch den pyruvate dehydrogenase Komplex (PDC) oxidiert. Der PDC enthält vielfache Kopien von drei Enzymen und wird im mitochondria von eukaryotic Zellen und im cytosol von prokaryotes gelegen. In der Konvertierung von pyruvate zu Acetyl-CoA werden ein Molekül von NADH und ein Molekül von CO gebildet. Dieser Schritt ist auch bekannt als der Verbindungsreaktions- oder Übergang-Schritt, weil es glycolysis und den Zyklus von Krebs verbindet.

Saurer Zitronenzyklus

Das wird auch den Zyklus von Krebs oder den tricarboxylic sauren Zyklus genannt. Wenn Sauerstoff da ist, wird Acetyl-CoA von den pyruvate von glycolysis geschaffenen Molekülen erzeugt. Sobald Acetyl-CoA gebildet wird, können zwei Prozesse, aerobic oder anaerobic Atmung vorkommen. Wenn Sauerstoff da ist, wird der mitochondria aerobic Atmung erleben, die zum Zyklus von Krebs führt. Jedoch, wenn Sauerstoff nicht da ist, wird die Gärung des pyruvate Moleküls vorkommen. In Gegenwart von Sauerstoff, wenn Acetyl-CoA erzeugt wird, geht das Molekül dann in den sauren Zitronenzyklus (Zyklus von Krebs) innerhalb der mitochondrial Matrix ein, und wird zu CO oxidiert, während es zur gleichen Zeit NAD auf NADH reduziert. NADH kann durch die Elektrontransportkette verwendet werden, um weiter ATP als ein Teil von oxidative phosphorylation zu schaffen. Um die Entsprechung von einem Traubenzucker-Molekül völlig zu oxidieren, muss zwei Acetyl-CoA metabolized durch den Zyklus von Krebs sein. Zwei Abfallprodukte, HO and CO, werden während dieses Zyklus geschaffen.

Der saure Zitronenzyklus ist ein 8-Schritte-Prozess, der mit verschiedenen Enzymen und Co-Enzymen verbunden ist. Überall im kompletten Zyklus, Acetyl-CoA (2 Kohlenstoff) + Oxaloacetate (4 Kohlenstoff). Zitrat (6 Kohlenstoff) wird zu einer mehr reaktiven Form genannt Isocitrate (6 Kohlenstoff) umgeordnet. Isocitrate (6 Kohlenstoff) modifiziert, um α-Ketoglutarate (5 Kohlenstoff), Succinyl-CoA, Succinate, Fumarate, Malate, und schließlich, Oxaloacetate zu werden. Der Nettoenergiegewinn von einem Zyklus ist 3 NADH, 1 FADH und 1 GTP; der GTP kann nachher verwendet werden, um ATP zu erzeugen. So ist der Gesamtenergie-Ertrag von einem ganzem Traubenzucker-Molekül (2 pyruvate Moleküle) 6 NADH, 2 FADH und 2 ATP.

Oxidative phosphorylation

In eukaryotes oxidative kommt phosphorylation im mitochondrial cristae vor. Es umfasst die Elektrontransportkette, die einen Protonenanstieg (chemiosmotic Potenzial) über die innere Membran durch das Oxidieren des vom Zyklus von Krebs erzeugten NADH gründet. ATP wird durch den ATP synthase Enzym aufgebaut, wenn der chemiosmotic Anstieg verwendet wird, um den phosphorylation von ADP zu steuern. Die Elektronen werden schließlich exogenous Sauerstoff und mit der Hinzufügung von zwei Protonen übertragen, Wasser wird gebildet.

Der Tisch beschreibt unten die beteiligten Reaktionen, wenn ein Traubenzucker-Molekül ins Kohlendioxyd völlig oxidiert wird. Es wird angenommen, dass alle reduzierten coenzymes durch die Elektrontransportkette oxidiert und für oxidative phosphorylation verwendet werden.

Obwohl es einen theoretischen Ertrag von 38 ATP Molekülen pro Traubenzucker während der Zellatmung gibt, werden solche Bedingungen allgemein wegen Verluste wie die Kosten nicht begriffen, pyruvate (von glycolysis), Phosphat und ADP (Substrate für die ATP Synthese) in den mitochondria zu bewegen. Alle werden mit Transportunternehmen aktiv transportiert, die die versorgte Energie im Proton elektrochemischer Anstieg verwerten.

• Pyruvate wird durch einen spezifischen, niedrig km Transportvorrichtung aufgenommen, um es in die mitochondrial Matrix für die Oxydation durch den pyruvate dehydrogenase Komplex zu bringen.
• Das Phosphat translocase ist ein symporter, und die treibende Kraft für bewegende Phosphationen in den mitochondria ist die Protonenmotiv-Kraft.
• Das Adenin nucleotide Transportunternehmen ist ein Antigepäckträger und tauscht ADP und ATP über die innere Membran aus. Die treibende Kraft ist wegen des ATP (4) eine negativere Anklage zu haben, als der ADP (3), und so zerstreut es etwas vom elektrischen Bestandteil des Protons elektrochemischer Anstieg.

Das Ergebnis dieser Transportprozesse mit dem Proton, das elektrochemischer Anstieg ist, dass mehr als 3 H erforderlich sind, um 1 ATP zu machen. Offensichtlich reduziert das die theoretische Leistungsfähigkeit des ganzen Prozesses, und das wahrscheinliche Maximum ist an 28-30 ATP Molekülen näher. In der Praxis kann die Leistungsfähigkeit noch tiefer wegen der inneren Membran des mitochondria sein ein bisschen undicht zu Protonen zu sein. Andere Faktoren können auch den Protonenanstieg zerstreuen, der einen anscheinend undichten mitochondria schafft. Ein ausschaltendes Protein bekannt als thermogenin wird in einigen Zelltypen ausgedrückt und ist ein Kanal, der Protone transportieren kann. Wenn dieses Protein in der inneren Membran es kurze Stromkreise die Kopplung zwischen der Elektrontransportkette und ATP Synthese aktiv ist. Die potenzielle Energie vom Protonenanstieg wird nicht verwendet, um ATP zu machen, aber erzeugt Hitze. Das ist in braunem Fett thermogenesis des Neugeborenen und der überwinternden Säugetiere besonders wichtig.

Gärung

Ohne Sauerstoff, pyruvate (Brenztraubensäure) ist nicht metabolized durch die Zellatmung, aber erlebt einen Prozess der Gärung. Der pyruvate wird in den mitochondrion nicht transportiert, aber bleibt im Zytoplasma, wo es zu Abfallprodukten umgewandelt wird, die von der Zelle entfernt werden können. Das dient dem Zweck, die Elektrontransportunternehmen zu oxidieren, so dass sie glycolysis wieder und das Entfernen des Übermaßes pyruvate durchführen können. Gärung oxidiert NADH zu NAD +, so kann es in glycolysis wiederverwendet werden. Ohne Sauerstoff verhindert Gärung das Aufbauen von NADH im Zytoplasma und stellt NAD + für glycolysis zur Verfügung. Dieses Abfallprodukt ändert sich abhängig vom Organismus. In Skelettmuskeln ist das Abfallprodukt Milchsäure. Dieser Typ der Gärung wird saure Milchgärung genannt. In der Hefe sind die Abfallprodukte Vinylalkohol und Kohlendioxyd. Dieser Typ der Gärung ist als Alkoholiker oder Vinylalkohol-Gärung bekannt. Der in diesem Prozess erzeugte ATP wird durch das Substrat-Niveau phosphorylation gemacht, der Sauerstoff nicht verlangt.

Gärung ist beim Verwenden der Energie von Traubenzucker weniger effizient, da 2 ATP pro Traubenzucker im Vergleich zu den 38 ATP pro durch die aerobic Atmung erzeugten Traubenzucker erzeugt werden. Das ist, weil die Abfallprodukte der Gärung noch viel Energie enthalten. Vinylalkohol kann zum Beispiel in Benzin (Benzin) Lösungen verwendet werden. Glycolytic ATP wird jedoch schneller geschaffen. Für prokaryotes, um eine schnelle Wachstumsrate fortzusetzen, wenn sie von einer aerobic Umgebung bis eine anaerobic Umgebung ausgewechselt werden, müssen sie die Rate der glycolytic Reaktionen vergrößern. Für Mehrzellorganismen, während kurzer Ausbrüche von anstrengender Tätigkeit, verwenden Muskelzellen Gärung, um die ATP Produktion von langsamer aerobic Atmung zu ergänzen, so kann Gärung durch eine Zelle sogar verwendet werden, bevor die Sauerstoff-Niveaus entleert werden, wie in Sportarten der Fall ist, die nicht verlangen, dass Athleten sich wie das Sprinten durchschreiten.

Atmung von Anaerobic

Atmung von Anaerobic wird durch einige Kleinstlebewesen verwendet, in denen kein Sauerstoff (aerobic Atmung) noch pyruvate oder eine pyruvate Ableitung (Gärung) der Endelektronenakzeptor ist. Eher wird ein anorganischer Annehmer wie Schwefel verwendet.

Siehe auch

• Chlorid von Tetrazolium: Zellatmungshinweis
• Wartungsatmung: Wartung als ein funktioneller Bestandteil der Zellatmung
• Punkt von Pasteur
• Respirometry: Forschungswerkzeug, um Zellatmung zu erforschen

Links

• Karte von wichtigen metabolischen Produkten
• Ein Detaillieren der Atmung gegen die Gärung
• Die Online-Quelle von Kimball zur Zellatmung
• Zellatmung und Gärung in der Universität von Clermont