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"세포 호흡"과 종종 상호 교환 적으로 사용되는 용어 인 호기성 호흡은 생물체가 산소가있는 상태에서 탄소 화합물의 화학 결합에 저장된 에너지를 추출하고이 추출 된 에너지를 대사에 사용하도록하는 놀라운 고 수율 방법입니다. 프로세스. 진핵 생물 (즉, 동물, 식물 및 곰팡이)은 주로 미토콘드리아 라 불리는 세포 소기관의 존재 덕분에 호기성 호흡을 이용합니다. 몇몇 원핵 생물체 (즉, 박테리아)는보다 기본적인 호기성 호흡 경로를 사용하지만 일반적으로 "호기성 호흡"을 볼 때 "다세포 진핵 생물"이라고 생각해야합니다.
그러나 그것이 당신의 마음 속으로 뛰어 들어야 할 전부는 아닙니다. 다음은 호기성 호흡의 기본 화학 경로, 왜 필수적인 반응 세트인지, 생물학적 및 지질학 역사에서 어떻게 시작되었는지에 대해 알아야 할 모든 것입니다.
호기성 호흡의 화학 요약
모든 세포 영양소 대사는 포도당 분자로 시작합니다. 포도당 자체가 단순한 탄수화물 임에도 불구하고이 6 개의 탄소 당은 3 가지 다량 영양소 종류 (탄수화물, 단백질 및 지방)의 식품에서 추출 할 수 있습니다. 산소가 존재하는 경우, 포도당은 약 20 개의 반응 체인으로 변형되어 분해되어 이산화탄소, 물, 열 및 36 또는 38 개의 아데노신 트리 포스페이트 (ATP) 분자를 생성합니다. 직접적인 연료 공급원으로 호기성 호흡에 의해 생성 된 ATP의 양의 변화는 식물 세포가 때때로 하나의 포도당 분자로부터 38 ATP를 짜내는 반면 동물 세포는 포도당 분자 당 36 ATP를 생성한다는 사실을 반영한다. 이 ATP는 유리 포스페이트 분자 (P)와 아데노신 디 포스페이트 (ADP)를 결합하여 생성되며,이 모든 것은 전자 수송 사슬의 반응에서 호기성 호흡의 후반 단계에서 발생합니다.
호기성 호흡을 설명하는 완전한 화학 반응은 다음과 같습니다.
씨6H12영형6 + 36 (또는 38) ADP + 36 (또는 38) P + 6O2 → 6CO2 + 6 시간2O + 420 kcal + 36 (또는 38) ATP.
반응 자체는이 형태로 충분히 간단 해 보이지만, 방정식의 왼쪽 (반응물)에서 오른쪽 (해방 된 열의 420 킬로 칼로리를 포함한 제품)까지 걸리는 수많은 단계에 해당합니다. ). 통상적으로, 반응의 전체 집합은 각각이 일어나는 위치에 따라 세 부분으로 나뉩니다 : 해당 과정 (세포질), 크렙스주기 (미토콘드리아 매트릭스) 및 전자 수송 사슬 (내부 미토콘드리아 막). 그러나 이러한 과정을 자세히 살펴보기 전에 호기성 호흡이 어떻게 지구에서 시작되는지 살펴보십시오.
지구의 기원 또는 호기성 호흡
호기성 호흡의 기능은 세포와 조직의 수리, 성장 및 유지를 위해 연료를 공급하는 것입니다. 이것은 호기성 호흡이 진핵 생물을 살아있는 것으로 유지한다는 것을 공식적으로 나타내는 방법입니다. 대부분의 경우 음식 없이는 며칠 동안 물 없이도 며칠 동안 갈 수 있지만 산소 없이는 몇 분만 갈 수 있습니다.
산소 (O)는 정상 공기에서 이원자 형태 인 O로 발견됩니다.2. 이 요소는 어떤 의미에서 1600 년대에 과학자들에게 공기가 동물의 생존에 필수적인 요소를 포함하고 있음을 알게되면서 밝혀졌습니다.이 요소는 폐쇄 된 환경에서 화염이나 장기적으로 고갈 될 수 있습니다. 호흡.
산소는 여러분이 숨쉬는 가스 혼합물의 약 5 분의 1을 구성합니다. 그러나 45 억 년의 지구 역사에서 항상 이런 방식은 아니었고, 시간이 지남에 따라 지구 대기의 산소량의 변화는 예측할 수있었습니다. 생물학적 진화에 중대한 영향. 행성의 현재 생애 상반기 동안 아니 공기 중의 산소. 17 억 년 전에 대기는 4 %의 산소로 구성되었으며 단세포 유기체가 나타났습니다. 오십 억 년 전에 O2 공기의 10 ~ 20 %를 차지하며 더 큰 다세포 유기체가 출현했습니다. 3 억년 전 산소 함량은 공기의 35 %로 증가했으며, 이에 따라 공룡과 다른 초대형 동물이 표준이되었습니다. 나중에 O가 보유한 공기의 비율2 오늘날의 위치로 다시 상승 할 때까지 15 %로 떨어졌습니다.
이 패턴 만 추적하면 산소의 궁극적 인 기능이 동물이 크게 자라는 것이 과학적으로 매우 가능성이 높은 것으로 보입니다.
당분 해 : 보편적 인 출발점
해당 분해 반응은 자체적으로 산소가 필요하지 않으며, 모든 생물체에서 원핵 및 진핵 생물 모두 어느 정도까지 해당 분해가 발생합니다. 그러나 해당 작용은 세포 호흡의 특정 호기성 반응에 필요한 전구체이며, 일반적으로 이들과 함께 설명됩니다.
6 각형 고리 구조를 갖는 6- 탄소 분자 인 포도당이 세포질에 들어가면 즉시 인산화되어 인산기가 탄소 중 하나에 부착되어 있음을 의미합니다. 이것은 세포 내부에 포도당 분자를 효과적으로 음의 전하를 줘서 포획합니다. 이어서, 분자는 또 다른 포스페이트가 분자에 첨가되기 전에 원자의 손실 또는 이득없이 인산화 된 과당으로 재 배열된다. 이것은 분자를 불안정하게 한 다음, 한 쌍의 3- 탄소 화합물로 단편화되며, 각각은 자체 인산염이 부착되어 있습니다. 이들 중 하나가 다른 것으로 변형 된 후, 일련의 단계에서, 2 개의 3 개의 탄소 분자는 2 개의 ATP를 생성하기 위해 ADP (adenosine diphosphate) 분자에 인산염을 제공한다. 원래의 6- 탄소 포도당 분자는 피루 베이트 (pyruvate) 라 불리는 3 개의 탄소 분자의 2 개의 분자로 감겨지고, 또한 2 개의 NADH 분자 (나중에 상세하게 논의 됨)가 생성된다.
Krebs Cycle
피루 베이트는 산소가있는 상태에서 미토콘드리아 라 불리는 세포 소기관의 매트릭스 ( "중간"이라고 생각)로 이동하여 아세틸 코엔자임 A (아세틸 코엔자임)라고하는 2 개의 탄소 화합물로 전환됩니다. 이 과정에서 이산화탄소 분자 (CO)2).이 과정에서 NAD 분자+ (소위 고 에너지 전자 캐리어)는 NADH로 변환됩니다.
시트르산주기 또는 트리 카르 복실 산주기라고도하는 크렙스주기는 그것의 생성물 중 하나 인 4- 탄소 분자 옥 살로 아세테이트가 다음과 결합하여주기의 시작을 다시 입력하기 때문에 반응 이라기보다는주기 라 불린다. 아세틸 CoA 분자. 결과적으로 구연산염이라는 6 개의 탄소 분자가 생성됩니다. 이 분자는 일련의 효소에 의해 알파-케 토글 루타 레이트 (alpha-ketoglutarate) 라 불리는 5 개의 탄소 화합물로 조작되며, 이후 다른 탄소를 잃어 석시 네이트를 생성합니다. 탄소가 손실 될 때마다 탄소 형태2이러한 반응이 에너지 적으로 유리하기 때문에 각 이산화탄소 손실에는 또 다른 NAD의 전환이 수반됩니다+ NAD에. 숙시 네이트의 형성은 또한 ATP 분자를 생성한다.
숙시 네이트는 푸마 레이트로 전환되어 하나의 FADH 분자를 생성한다2 FAD에서2+ (NAD와 유사한 전자 운반체+ 기능에서). 이것은 말 레이트로 전환되어 또 다른 NADH를 생성 한 다음, 옥 살로 아세테이트로 전환된다.
당신이 점수를 유지하는 경우, 당신은 3 NADH, 1 FADH를 셀 수 있습니다2 Krebs주기의 턴당 1 ATP. 그러나 각 포도당 분자는 사이클에 들어가기 위해 2 개의 아세틸 CoA 분자를 공급하므로 합성 된 이들 분자의 총 수는 6 NADH, 2 FADH입니다.2 및 2 ATP. 따라서 Krebs주기는 많은 에너지를 직접 생성하지 않습니다 (상류에 공급되는 포도당 분자 당 2 ATP 만). 또한 산소가 필요하지 않습니다. 그러나 NADH와 FADH2 에 중요하다 산화 인산화 총체적으로 전자 수송 사슬이라고 불리는 다음 일련의 반응의 단계.
전자 수송 체인
NADH와 FADH의 다양한 분자2 세포 호흡의 이전 단계에서 생성 된 전자는 전자 수송 사슬에 사용될 준비가되어 있으며, 이는 크리스 태라 불리는 내부 미토콘드리아 막의 접힘에서 발생합니다. 요컨대, NAD에 부착 된 고 에너지 전자+ 그리고 FAD2+ 막을 가로 질러 양성자 구배를 만드는 데 사용됩니다. 이것은 단지 더 높은 양성자 (H) 농도가 있다는 것을 의미합니다+ 다른 쪽보다 막의 한쪽에 이온)이 존재하여, 이들 이온이 더 높은 양성자 농도의 영역에서보다 낮은 양성자 농도의 영역으로 흐르도록 자극을 생성한다. 이런 식으로, 양성자들은 예를 들어 물에서 더 높은 고도의 영역에서 낮은 농도의 영역으로 이동하기를 원하는 물과 거의 다르게 행동합니다. 전자 수송 사슬.
흐르는 물의 에너지를 이용하여 다른 곳에서 일하기 위해 (이 경우 전기를 생산하는) 수력 발전소의 터빈과 같이, 막을 가로 지르는 양성자 구배에 의해 설정된 일부 에너지는 포스페이트 그룹 (P)을 ADP에 부착하기 위해 포착됩니다. 인산화 (이 경우 산화 적 인산화) 라 불리는 ATP를 생성하는 분자. 실제로, 이것은 NADH와 FADH가 모두 될 때까지 전자 수송 사슬에서 계속해서 발생합니다.2 당분 해 및 크렙스주기로부터 약 10 개 및 후자 중 2 개가 이용된다. 이는 글루코스 분자 당 약 34 개의 ATP 분자를 생성시킨다. 해당 분해 및 Krebs주기는 각각 포도당 분자 당 2 ATP를 생성하기 때문에, 이상적인 조건 하에서 에너지가 방출 될 경우 총량은 34 + 2 + 2 = 38 ATP입니다.
전자 수송 사슬에는 양성자가 내부 미토콘드리아 막을 통과하여 나중에 미토콘드리아 막과 외부 미토콘드리아 막 사이의 공간으로 들어갈 수있는 3 개의 다른 지점과 4 개의 별개의 분자 복합체 (번호 I, II, III 및 IV)가 형성됩니다. 체인의 물리적 앵커 포인트.
전자 수송 사슬은 산소를 필요로하기 때문에 O2 사슬에서 최종 전자쌍 수용체로 사용됩니다. 산소가 존재하지 않는 경우, 전자의 "하류"흐름이 중단되기 때문에 사슬 내 반응이 빠르게 중단됩니다. 그들은 갈 곳이 없습니다. 전자 수송 사슬을 마비시킬 수있는 물질 중에는 시안화물 (CN)이 있습니다-). 그렇기 때문에 살인 쇼나 스파이 영화에서 시안화물을 치명적인 독으로 사용한 것을 보았을 것입니다. 그것이 충분한 복용량으로 투여 될 때, 수용자 내의 호기성 호흡은 그것과 함께 생명 그 자체를 멈 춥니 다.
식물의 광합성 및 호기성 호흡
식물은 이산화탄소로부터 산소를 생성하기 위해 광합성을 겪는 반면, 동물은 호흡을 사용하여 산소에서 이산화탄소를 생성하여 생태계 전체의 보완적인 균형을 유지하는 데 도움이된다고 가정합니다. 이것은 표면에서는 사실이지만 식물이 광합성과 호기성 호흡을 모두 사용하기 때문에 오해의 소지가 있습니다.
식물은 먹을 수 없기 때문에 음식을 섭취하지 않고 만들어야합니다. 이것이 바로 엽록체라고 불리는 소기관 동물에서 일어나는 일련의 반응 인 광합성을위한 것입니다. 햇빛, CO에 의해 구동2 식물 세포 내부는 미토콘드리아의 전자 수송 사슬과 유사한 일련의 단계로 엽록체 내부의 포도당으로 조립됩니다. 그런 다음 포도당은 엽록체에서 방출됩니다. 식물의 구조적 부분이되는 경우가 대부분이지만, 일부는 해당 과정을 거친 후 식물 세포 미토콘드리아에 들어간 후 나머지 호기성 호흡을 통해 진행됩니다.