Sejtlégzés — a sejtek energiaelőállítása (aerob és anaerob)
Ismerd meg a sejtlégzés lépéseit: glikolízis, Link-reakció, Krebs-ciklus, elektrontranszportlánc; aerob és anaerob útvonalak, ATP-termelés, szén-dioxid- és tejsav-képződés.
A sejtlégzés az a folyamat, amit a sejtek a cukrok lebontása érdekében végeznek, hogy felhasználható energiát nyerjenek. A sejtlégzés a táplálékot felhasználva ATP előállítására szolgál, amely egy olyan kémiai anyag, amelyet a sejt energiaként használ fel.
Ez a folyamat általában oxigént használ, és aerob légzésnek nevezik. Négy szakasza van, amelyeket glikolízisnek, Link-reakciónak, Krebs-ciklusnak és elektrontranszportláncnak nevezünk. Ennek során ATP keletkezik, amely biztosítja a sejtek számára a munkához szükséges energiát.
Ha nem kapnak elég oxigént, a sejtek anaerob légzést alkalmaznak, amelyhez nincs szükség oxigénre. Ez a folyamat azonban tejsavat termel, és nem olyan hatékony, mint amikor oxigént használnak.
Az aerob légzés, az a folyamat, amely oxigént használ, sokkal több energiát termel, és nem termel tejsavat. Emellett hulladéktermékként szén-dioxid is keletkezik, amely aztán a keringési rendszerbe kerül. A szén-dioxid a tüdőbe kerül, ahol oxigénre cserélődik.
Az aerob sejtlégzés egyszerűsített képlete a következő:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + Energia (ATP formájában)
A szóegyenlet erre a következő:
Glükóz (cukor) + oxigén → szén-dioxid + víz + energia (ATP formájában)
Aerob sejtlégzés — fő lépések és helyszínek
- Glikolízis (glikolízis): a folyamat a sejtplazmában (citoplazmában) zajlik. Egy glükózmolekula lebontásával két pyruvát (piruvát) keletkezik, miközben nettó 2 ATP és 2 NADH képződik. A glikolízis anaerob körülmények között is működik, ezért ez az első lépés mindkét légzéstípusnál közös.
- Link-reakció (piruvát-dekarboxilálás) (Link-reakció): a piruvát a mitokondrium mátrixába jut, ahol acetil-CoA-vá alakul, közben CO2 szabadul fel és NADH képződik. Ez a lépés köti össze a citoplazmatikus glikolízist a mitokondriális ciklusokkal.
- Krebs-ciklus (citromsav-ciklus) (Krebs-ciklus): az acetil-CoA oxidációja a mitokondrium mátrixában történik. Több NADH és FADH2 keletkezik, valamint egy kevés ATP (vagy GTP) és CO2 mint hulladéktermék.
- Elektrontranszportlánc és oxidatív foszforiláció (elektrontranszportlánc): a mitokondrium belső membránján található fehérjék és hordozók átadják az elektronokat a NADH-ról és FADH2-ről, elektromos energia felhasználásával protonokat pumpálnak a membránok közötti térbe. A létrejövő protongradiens hajtja az ATP-szintázt, amely nagy mennyiségű ATP-t termel. A végső elektronakceptor az oxigén, amely vízzé alakul.
Anaerob légzés (erjedés) és különbségek
Anaerob körülmények között a sejtek nem tudják használni az elektrontranszportláncot oxigén hiányában, ezért a piruvátot más utakra terelik, hogy újraalkalmazható legyen a NAD+ (a folyamatokhoz szükséges elektronvivő). Két gyakori típus:
- Tejsavas erjedés (pl. izomsejtekben): a piruvát tejsavvá (laktáttá) alakul, miközben a keletkező NADH visszaadja elektronjait és regenerálódik a NAD+. Ez lehetővé teszi a glikolízis folytatását, de az ATP-termelés összesen nagyon alacsony (nettó 2 ATP/glükóz).
- Alkoholos erjedés (élesztőkben, egyes baktériumokban): piruvátból CO2 és etanol keletkezik, szintén a NAD+ regenerálásával.
Anaerob folyamatok kevesebb energiát adnak: míg az aerob légzés során egy glükóz több tucatnyi ATP-t adhat (eukariótákban általában ~30–32 ATP/glükóz; régebbi források gyakran 36–38-at adnak meg attól függően, milyen NADH-shuttle működik), addig az anaerob folyamatok csak a glikolízis nettó 2 ATP-jét biztosítják.
Működés részletesebben — fontos molekulák és mechanizmusok
NAD+ és FAD fontos elektronvivők: a glikolízis, a Link-reakció és a Krebs-ciklus során elektronokat vesznek fel (NADH, FADH2 formájában). Ezek az elektrontovábbítók viszik az elektronokat az elektrontranszportlánchoz, ahol az energia protonpumpálásra használódik, és végül az ATP-szintáz állít elő nagy mennyiségű ATP-t (ez a folyamat a kémiai megkötés, azaz a kemiosmózis és az oxidatív foszforiláció együttese).
Hol történik minden?
- Glikolízis: citoplazma
- Link-reakció: mitokondrium mátrixa
- Krebs-ciklus: mitokondrium mátrixa
- Elektrontranszportlánc: mitokondrium belső membránja
Szabályozás és élettani jelentőség
A sejtlégzés sebességét a sejt energiaigénye és a rendelkezésre álló tápanyagok határozzák meg. Magas ATP-szint visszacsatolással gátolja az áramlást (visszajelzéses gátlás), míg az ADP/AMP jelzi az energiahiányt és fokozza a folyamatot. Izommunka közben, ha az oxigénellátás relatíve kevés, a sejtek átmenetileg áttérnek a tejsavas erjedésre — ez rövid távú energiaellátást biztosít, de a felhalmozódó laktát fáradtságérzethez vezethet.
Összefoglalás
A sejtlégzés az élő szervezetek alapvető folyamata az energia előállítására. Az aerob légzés hatékonyabb és több ATP-t ad, víz és szén-dioxid a végeredménye, míg az anaerob légzés (erjedés) oxigén hiányában kisebb ATP-készletet ad, és olyan végtermékek keletkeznek, mint a tejsav vagy az etanol. A folyamatok helyileg és molekulárisan jól elkülönülnek: a glikolízis citoplazmában, a többi lépés a mitokondriumban zajlik, és az elektrontranszportlánc működése oxigénfüggő.
Az itt bemutatott alapok segítenek megérteni, hogyan alakítják a sejtek a táplálékot felhasználható formában, és miért létfontosságú a megfelelő oxigénellátás a szervezet számára.
Glikolízis
A glikolízis során a citoplazmában lévő glükóz két molekula piruváttá bomlik. A folyamat tíz köztes vegyületéhez tíz enzimre van szükség.
- Két energiadús ATP indítja be a folyamatot.
- A végén két piruvát molekula, valamint
- Szubsztrát szint - A 7. és 10. reakcióban négy molekula ATP keletkezik.
- Az oxigént használó sejtekben a piruvátot egy második folyamatban, a Krebs-ciklusban használják fel, amely több ATP-molekulát termel.
A ciklus termelékenysége
A biológia tankönyvekben gyakran szerepel, hogy a sejtlégzés során oxidált glükózmolekulánként 38 ATP-molekula állítható elő (kettő a glikolízisből, kettő a Krebs-ciklusból és körülbelül 34 az elektrontranszportláncból). A folyamat azonban valójában kevesebb energiát (ATP-t) termel a szivárgó membránokon keresztüli veszteségek miatt. A becslések szerint 29-30 ATP jut egy glükózra.
Az aerob anyagcsere körülbelül (lásd a fenti mondatot) 15-ször hatékonyabb, mint az anaerob anyagcsere. Az anaerob anyagcsere 2 mol ATP-t ad 1 mol glükózra. Közös a glikolízis kezdeti útvonala, de az aerob anyagcsere a Krebs-ciklussal és az oxidatív foszforilációval folytatódik. A glikolízis utáni reakciók eukarióta sejtekben a mitokondriumokban, prokarióta sejtekben pedig a citoplazmában zajlanak.
Link reakció
A glikolízisből származó piruvátot aktívan a mitokondriumokba pumpálják. A piruvátból egy szén-dioxid- és egy hidrogénmolekulát távolítanak el (ezt nevezik oxidatív dekarboxilációnak), hogy acetilcsoportot hozzanak létre, amely egy CoA nevű enzimhez csatlakozva acetil-CoA-t képez. Ez elengedhetetlen a Krebs-ciklushoz.
Krebs-ciklus
Az acetil-CoA oxalacetáttal egyesülve hat szénatomos vegyületet alkot. Ez az első lépés az állandóan ismétlődő Krebs-ciklusban. Mivel minden egyes glükózmolekulából két acetil-CoA molekula keletkezik, glükózmolekulánként két ciklusra van szükség. Ezért két ciklus végén a termékek a következők: két ATP, hat NADH, két FADH és négy CO2. Az ATP egy olyan molekula, amely kémiai formában hordozza az energiát, amelyet a sejt más folyamataiban felhasználhatunk. Ezt a folyamatot TCA-ciklusnak (trikarbonsav-ciklus (try-car-box-ILL-ick)), citromsavciklusnak vagy Krebs-ciklusnak is nevezik a reakciókat feltáró biokémikus után.
Elektrontranszportlánc (ETC)
Itt készül a legtöbb ATP. Az összes hidrogénmolekulát, amelyet az előző lépések során eltávolítottak (Krebs-ciklus, Link-reakció), a mitokondriumba pumpálják az elektronok által felszabadított energiával. Végül a hidrogén mitokondriumba történő pumpálását működtető elektronok némi hidrogénnel és oxigénnel keveredve vizet képeznek, és a hidrogénmolekulák pumpálása megszűnik.
Végül a hidrogén fehérjecsatornákon keresztül visszaáramlik a mitokondriumok citoplazmájába. A hidrogén áramlása során ADP-ből és foszfátionokból ATP keletkezik.
Kapcsolódó oldalak
Kérdések és válaszok
K: Mi a sejtlégzés?
V: A sejtlégzés az a folyamat, amelynek során a sejtek cukrokat bontanak le, és felhasználható energiát nyernek. A sejt táplálékot vesz fel, és abból ATP-t hoz létre, egy vegyi anyagot, amelyet a sejt energiaként használ fel.
K: Mi a légzés két típusa?
V: A légzés két típusa az aerob légzés és az anaerob légzés. Az aerob légzés oxigént használ, és több energiát termel, mint az anaerob légzés, de nem termel tejsavat. Az anaerob légzés nem használ oxigént, de helyette tejsavat termel.
K: Mi az aerob sejtlégzés képlete?
V: Az aerob sejtlégzés képlete a következő: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energia (ATP formájában). Ennek szóegyenlete: Glükóz (cukor) + oxigén → szén-dioxid + víz + energia (ATP-ként).
K: Hány szakasza van az aerob sejtlégzésnek?
V: Az aerob sejtlégzésnek négy szakasza van - a glikolízis, a Link-reakció, a Krebs-ciklus és az elektrontranszportlánc -, amelyek mindegyike fontos, és nem történhetne meg az előtte lévő nélkül.
K: Mi történik az aerob sejtlégzés során keletkező szén-dioxiddal?
V: Az aerob sejtlégzés során keletkező szén-dioxid a keringési rendszerbe kerül, ahonnan a tüdőbe jut, ahol oxigénre cserélődik.
K: Milyen típusú hulladéktermék keletkezik az anaerob légzés során?
V: Az anaerob légzés során tejsav keletkezik, míg az aerob légzés során szén-dioxid keletkezik.
Keres