Celično dihanje je proces, s katerim živi organizmi pridobivajo energijo iz hrane. Obstajata dve glavni metodi. Aerobno dihanje, ki ga uporabljajo vse večcelične in nekatere enocelične oblike življenja, uporablja kisik v atmosferi ali raztopljen v vodi, kot del kompleksnega procesa, ki sprošča in shranjuje energijo. Anaerobno dihanje uporabljajo različni enocelični organizmi in ne vključuje nepovezanega kisika.
Pojav aerobnega dihanja
Prve oblike življenja na Zemlji so nastale v svetu brez prostega kisika. Za oskrbo z energijo so uporabljali anaerobne procese. Na neki točki, še zgodaj v zgodovini Zemlje, so se razvili organizmi, ki so uporabljali fotosintezo za proizvodnjo molekul sladkorja z uporabo ogljikovega dioksida, pridobljenega iz ozračja, in vode. Sladkor je služil kot vir energije, proces pa je proizvajal kisik kot stranski produkt. Kisik je bil strupen za številne anaerobne organizme, vendar so se nekateri razvili, da bi ga uporabili za novo vrsto dihanja, ki je dejansko zagotovila veliko več energije kot anaerobni proces.
Najzgodnejše oblike življenja so bile sestavljene iz celic, ki niso imele jeder ali drugih dobro opredeljenih struktur. Te so znane kot prokarioti in vključujejo organizme, kot so bakterije in cianobakterije, znane tudi kot modro-zelene alge. Kasneje so se pojavile celice z jedri in drugimi strukturami; ti so znani kot evkarionti. Vključujejo nekatere enocelične in vse večcelične organizme, kot so rastline in živali. Vsi evkarionti in nekateri prokarionti uporabljajo aerobno dihanje.
Kako deluje aerobno dihanje
Celice hranijo energijo v molekuli, imenovani adenozin trifosfat (ATP). Ta spojina vsebuje tri fosfatne (PO4) skupine, vendar lahko sprosti energijo tako, da izgubi eno od teh, da tvori adenozin difosfat (ADP). Nasprotno pa lahko ADP pridobi fosfatno skupino, da postane ATP, in tako shrani energijo.
Druga pomembna molekula je nikotinamid adenin dinukleotid. Lahko obstaja v dveh oblikah: NAD+, ki lahko sprejme dva elektrona in en vodikov (H+) ion, da tvori NADH, ki lahko daje elektrone drugim molekulam. Spojina se uporablja pri dihanju za transport elektronov z enega mesta na drugega.
Izhodišče za dihanje je glukoza (C6H12O6), eden najpreprostejših ogljikovih hidratov. Bolj zapletene molekule sladkorja v hrani se najprej razgradijo v to spojino. Glukoza se nato razgradi s procesom, imenovanim glikoliza, ki poteka v citoplazmi ali celični tekočini in je skupen tako anaerobnemu kot aerobnemu dihanju.
Glikoliza
Postopek glikolize uporablja dve molekuli ATP za pretvorbo glukoze, ki ima šest atomov ogljika, v dve triogljikovi molekuli spojine, imenovane piruvat, v nizu korakov. Na koncu tega procesa se proizvedejo štiri molekule ATP, tako da pride do skupnega povečanja dveh ATP, kar predstavlja povečanje shranjene energije. Glikoliza povzroči tudi, da dve molekuli NAD+ vzameta iz glukoze dva elektrona in en vodikov ion, da tvorita NADH. Na splošno torej glikoliza povzroči dve molekuli piruvata, dve ATP in dve NADH.
V evkariontskih celicah preostale stopnje aerobnega dihanja potekajo v strukturah, znanih kot mitohondriji. Ti drobni organi naj bi bili nekoč neodvisni organizmi, ki so bili v daljni preteklosti vgrajeni v celice. Vsaka molekula piruvata se s pomočjo NAD+ pretvori v spojino, imenovano acetil coA, pri čemer izgubi ogljikov in dva atoma kisika, da nastane ogljikov dioksid kot odpadni produkt in tvori še eno molekulo NADH.
Krebsov cikel
Naslednja faza se imenuje Krebsov cikel, znan tudi kot cikel trikarboksilne kisline (TCA) ali cikel citronske kisline. Acetil coA iz piruvata se združi s spojino, imenovano oksaolacetat, za tvorbo citrata ali citronske kisline, ki v nizu korakov, ki vključujejo NAD+, proizvaja ATP, pa tudi NADH in drugo molekulo, imenovano FADH2, ki ima podobno funkcijo. To povzroči, da se citronska kislina pretvori nazaj v oksaloacetat, da se cikel znova začne. Vsak zaključen cikel proizvede dve molekuli ATP, osem NADH in dve FADH2 iz dveh molekul piruvata.
Fosforilacija transporta elektronov
Končna faza je znana kot fosforilacija transporta elektronov ali oksidativna fosforilacija. Na tej točki procesa se elektroni, ki jih prenašata NADH in FADH2, uporabljajo za zagotavljanje energije za pritrditev fosfatnih skupin na molekule ADP za proizvodnjo do 32 molekul ATP. To poteka na mitohondrijski membrani preko serije petih beljakovin, po katerih se prenašajo elektroni. Kisik, ki zlahka sprejema elektrone, je potreben, da jih odstrani na koncu procesa. Kisik se nato združi z vodikovimi ioni, ki se sprostijo iz NADH, da tvorijo vodo.
Učinkovitost
Na splošno lahko proces aerobnega dihanja teoretično proizvede do 36 molekul ATP, ki shranjujejo energijo za vsako molekulo glukoze, v primerjavi z le dvema za anaerobno dihanje, zaradi česar je proces veliko bolj energetsko učinkovit. V praksi pa se domneva, da se običajno proizvede okoli 31 ali 32 molekul ATP, saj lahko v končnih fazah potekajo druge reakcije. Čeprav je ta proces zelo učinkovit način za proizvodnjo in shranjevanje energije, proizvaja tudi majhne količine zelo reaktivnih oblik kisika, znanih kot peroksidi in superoksidi. Ti so potencialno škodljivi za celice in nekateri znanstveniki menijo, da so lahko vpleteni v staranje in nekatere bolezni.