Cyklus buněčného dýchání: Co, Jak, Typy, Kroky, Vzorec, Proces a fakta

by

Cyklus buněčného dýchání je kombinací různých metabolických procesů k získání energie z živin nebo molekul potravy. Všechny živé organismy včetně bakterií, rostlin a zvířat využívají k výrobě energie proces buněčného dýchání. Zde popisujeme všechny možné aspekty týkající se buněčného respiračního cyklu.

Cyklus buněčného dýchání je kombinací některých metabolických procesů probíhajících v živých buňkách, které přeměňují potravu nebo živiny na energetické jednotky (ATP) a uvolňují z nich různé vedlejší produkty. 

K procesu dýchání dochází převážně v prostředí bohatém na kyslík a tento druh buněčného dýchání je znám jako aerobní proces dýchání. 

Při nepřítomnosti kyslíku získávají nižší organismy energii také štěpením molekul cukru. Tento proces je známý jako proces anaerobního dýchání nebo proces fermentace.

Proces buněčného dýchání je svou povahou amfibolický, což znamená, že se během tohoto procesu komplex rozpadá na menší molekuly, stejně jako vedlejší produkty se později podílejí na konstrukci dalších komplexních molekul. Respirační proces se tedy skládá z katabolických i anabolických charakteristik, takže reakce je amfibolická. 

Vzorec pro buněčné dýchání

Základní vzorec buněčného respiračního cyklu (typické aerobní dýchání) je -

Glukóza +6 voda → 6 oxid uhličitý + 6 voda + 36-38 ATP

C6H12O6 + 6O2 –> 6CO2 + 6H2O + 36 nebo 38 ATP

Rovnice specifikuje, že během buněčného dýchání (v přítomnosti molekuly kyslíku) jedna molekula glukózy hoří se 6 molekulami kyslíku za vzniku 36-38 molekul ATP jako energetických jednotek. Reakce také uvolňuje 6 molekul oxidu uhličitého a 6 molekul vody jako vedlejší produkty. 

Schéma buněčného dýchání

Z diagramu buněčného dýchání můžeme vidět, že existují 4 hlavní kroky, kterými se cyklicky produkuje požadovaná energie buňky. První krok Glykolýza probíhá v cytoplazmě a další kroky probíhají v mitochondriální matrici buňky.

Cyklus buněčného dýchání

Cyklus buněčného dýchání od Wikimedia Commons

Reaktanty buněčného dýchání

Hlavním reaktantem v buněčném dýchacím cyklu jsou molekuly glukózy a kyslíku. 

V procesu buněčného dýchání se v podstatě živina nebo molekula potravy, jako je sacharid, podílejí bílkoviny na procesu dýchání za účelem výroby energie. Hlavním reaktantem je v tomto procesu molekula kyslíku. Kyslík slouží jako poslední molekula akceptoru elektronů během procesu oxidativní fosforylace.

Proces buněčného dýchacího cyklu

Proces buněčného dýchání je kombinací různých metabolických reakcí, kterými se rozkládají molekuly glukózy.

Proces buněčného dýchání (aerobní) obecně prochází čtyřmi hlavními kroky k vytvoření většiny energie. Kroky zahrnují -

Glykolýza

Glykolýza je prvním krokem v procesu buněčného dýchání. V tomto procesu se 1 molekula glukózy rozpadne na 2 molekuly kyseliny pyrohroznové nebo pyruvátu. The Dochází k procesu glykolýzy v cytoplazmě buňky. Pro usnadnění procesu je zahrnuto deset různých reakcí. Enzymy zapojené do dráhy glykolýzy jsou hexokináza, fosfoglukomutáza, fosfofruktokináza, aldoláza, trióza-fosfátizomeráza, glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza, fosfoglycerokináza, fosfoglyceromutáza, enoláza, pyruvátkináza atd. 

Během tohoto procesu se 1 molekula glukózy (6 uhlíků) rozpadne na 2 molekuly pyruvátu (3 uhlíky), uvolní 2 molekuly ATP a 2 molekuly NADH jako vedlejší produkty.

Glukóza (C₆H₁₂O₆) → Pyruvát (CH₃COCOOH) + 2 NADH + 2 ATP

V průběhu celého procesu nejsou nutné molekuly kyslíku, proto glykolýza probíhá jak v aerobních, tak anaerobních procesech dýchání. Tento proces objevili německý biochemik Gustav Embden, Otto Meyerhof a Jakub Karol Parnas a podle jejich jména je celý proces znám jako cesta Embden-Meyerhof-Parnas nebo cesta EMP.

Tvorba acetyl-CoA

Po ukončení glykolýzy se pyruvát přemění na acetyl-CoA, který se později účastní procesu Krebsova cyklu. V tomto procesu pyruvát oxiduje za vzniku 2-uhlíkové acetylové skupiny. Poté se 2-uhlíková acetylová skupina váže s koenzymem -A a vytváří Acetyl-CoA. 

Po glykolýze pyruvát vstupuje do mitochondrií a v matrici mitochondrií dochází k reakci tvorby acetyl-CoA. 

Tento proces tvorby acetyl-CoA je velmi významný v procesu buněčného dýchání. Pouze tímto procesem se pyruvát přemění na acetyl-CoA a acetyl-CoA je jedinou složkou, která může podstoupit proceduru Krebsova cyklu. Je to také velmi významné, protože díky tomuto procesu pyruvát prochází plazmatickou membránou a cestuje do mitochondriální matrice z cytoplazmy buňky.

Krebsův cyklus

Krebsův cyklus je třetím a nejdůležitějším krokem v procesu buněčného dýchání. Vyskytuje se pouze v aerobním prostředí. V případě anaerobního dýchání po glykolýze se pyruvát přímo láme a produkuje organické vedlejší produkty, které uvolňují energii.

V Krebsově cyklu se acetyl-CoA rozbije a po několika reakcích vytvoří 2 molekuly oxidu uhličitého, 1 GTP (nebo ATP), 1 FADH2 a 3 molekuly NADH. Na tomto procesu se podílí přibližně 8 různých enzymů, např. Citrátsyntáza, akonitáza, isocitrátdehydrogenáza, α-ketoglutarát, sukcinyl-CoA syntetáza, sukcinátdehydrogenáza, fumaráza, malátdehydrogenáza atd.

V tomto procesu vzniká jako první reakční produkt kyselina citronová nebo citrát. To je důvod, proč se cyklus nazývá také cyklus kyseliny citronové. Protože citrát má tři karboxylové skupiny (- COOH), reakce je také známá jako cyklus TCA nebo cyklus trikarboxylové kyseliny.

Elektronový transportní řetězec

Je to poslední krok buněčného dýchacího cyklu, kde se nakonec většina energie uvolní po přenosu elektronů přes membránové proteiny v mitochondriální matrix. Molekuly NADH, FADH2 přenášejí elektrony a uvolňují energii. 

V procesu aerobního dýchání působí molekuly kyslíku jako poslední molekula akceptoru elektronů. Produkuje 36-38 ATP na molekulu glukózy. Je také známý jako proces oxidativní fosforylace. V procesu anaerobního dýchání sulfát, dusičnanové skupiny fungují jako molekuly akceptorů elektronů a produkují menší množství energie. 

Typy buněčného dýchacího cyklu

Podle přítomnosti molekuly kyslíku v prostředí rozlišujeme buněčné typy dýchání.

V přírodě se vyskytují dva typy buněčného dýchání. První je aerobní proces dýchání, proces dýchání za přítomnosti molekuly kyslíku. Další je anaerobní dýchání proces, při kterém nejsou nutné molekuly kyslíku. 

Aerobní dýchání

Proces aerobního dýchání je nejběžnější proces buněčného dýchání, který se vyskytuje u všech mnohobuněčných živých organismů, jako jsou bakterie, houby, rostliny, zvířata atd.

V tomto procesu v přítomnosti molekuly kyslíku obsah cukru spaluje a vyrábí energii pro buňku. Celý proces se skládá ze čtyř různých kroků, jako je glykolýza, tvorba acetyl-CoA, Krebsův cyklus a oxidativní fosforylace. Po dokončení celého procesu se spolu s 36-38 molekulami ATP vyrobí 6 molekul oxidu uhličitého a 6 molekul vody jako konečné produkty. 

obrázky 2

Proces aerobního dýchání z Wikimedia Commons

Glukóza +6 voda → 6 oxid uhličitý + 6 voda + 36-38 ATP

C6H12O6 + 6O2 –> 6CO2 + 6H2O + 36 nebo 38 ATP

Anaerobní dýchání

Proces anaerobního dýchání se většinou vyskytuje u nižších skupin organismů, většinou v těle prokaryotické buňky. Proces anaerobního dýchání je také známý jako proces farmentace. 

V tomto procesu se v nepřítomnosti molekuly kyslíku molekula sacharidu nebo glukózy rozkládá a produkuje malé množství energie (2ATP) spolu s některými organickými vedlejšími produkty. Protože postrádá molekulu kyslíku, anorganické skupiny jako síranové, dusičnanové skupiny slouží jako akceptor elektronů a uvolňují určitou energii. v anaerobní dýchání nachází se pouze glykolýza a proces transportního řetězce elektronů. 

Obvykle se vyskytují dva typy procesu anaerobního dýchání –

Produkce kyseliny mléčné

V první se molekula glukózy rozbije a produkuje pyruvát během kroku glykolýzy a poté se pyruvát přemění na kyselinu mléčnou a produkuje energii.

C6H12O6 → C3H6O3 + energie (2ATP)

obrázky 5

Mléčná fermentace z Wikimedia Commons

Pěstování alkoholu

Při druhém typu procesu anaerobního dýchání se jedna molekula glukózy rozbije a vytvoří pyruvát během kroku glykolýzy a poté se pyruvát přemění na etanol a produkuje energii spolu s molekulou oxidu uhličitého. 

C6H12O6 → C2H5OH + CO2 + energie (2ATP)

obrázky 6

Alkoholové kvašení z Wikimedia Commons

Chcete-li se dozvědět více o procesu anaerobního dýchání, přečtěte si náš článek na 4+ Příklady anaerobního dýchání: Podrobné vysvětlení

Jak funguje buněčné dýchání?

Cyklus buněčného dýchání je velmi komplikovaný mechanismus, jehož prostřednictvím naše tělo získává potřebnou energii z potravy, kterou přijímáme. 

Proces začíná, když živý organismus přijme nějakou potravu. Živiny z tohoto jídla jsou rozděleny na menší jednotky, jako je glukóza, a průtokem krve, který se dostane do každé buňky těla. Poté, když organismus dýchá a přijímá kyslík, okysličená krev se dostane i do každé buňky těla a nastartuje se proces buněčného dýchání.

Na začátku v přítomnosti kyslíku buňka rozbíjí glukózu a snaží se produkovat energii pomocí několika enzymů, které se účastní procesu. Molekula glukózy prochází glykolýzou, uvolňuje malé množství energie a v cytoplazmě buňky se přeměňuje na pyruvát. Pyruvát se poté přenese do mitochondriální matrice a oxiduje za vzniku acetyl-CoA. Dále prochází Krebsovým cyklem a po procesu oxidativní fosforylace se uvolňuje velké množství energie. Tato energie bude využita pro každou funkci těla a tím funguje proces buněčného dýchání. 

Jak dlouho trvá buněčné dýchání u rostlin?

Protože buněčné dýchání je velmi rychlý proces, každý druh buňky dokončuje dýchání v různých časech. 

Rostlinná buňka dýchá 24 hodin denně, protože organismus neustále potřebuje energii. Podle typu buňky základní buňka typicky dokončí cyklus buněčného dýchání během milisekund.

Jak dlouho trvá buněčné dýchání u lidí?

Cyklus buněčného dýchání je velmi rychlý proces, ale každý druh buňky dokončuje dýchání v různých časech. 

Buňka dýchá 24 hodin denně. Podle typu buňky buňka produkuje 10 milionů jednotek ATP za sekundu.

Proces dýchání závisí přísně na typu buňky. Například svalová buňka dokončí proces buněčného dýchání rychleji než jaterní buňka. 

Jak dlouho trvá jeden cyklus buněčného dýchání?

Jak dlouhý je jeden cyklus buněčné dýchání trvá zcela závisí na typu konkrétní buňky. 

Typicky buňka dokončí jeden cyklus buněčného dýchání během milisekundy a produkuje energii.

Produkt cyklu buněčného dýchání

Hlavní funkcí buněčného dýchacího cyklu je výroba energie ze živin. Takže v obou procesech buněčného dýchání se uvolňují molekuly energie. 

v aerobní dýchání proces spolu s molekulami energie 6 molekul oxidu uhličitého a 6 molekul vody se vyrábí jako konečné produkty. 

C6H12O6 + 6O2 –> 6CO2 + 6H2O + energie (36 nebo 38 ATP)

Při anaerobním dýchání se jako konečné produkty reakce produkují proces produkce kyseliny mléčné spolu s energií molekuly kyseliny mléčné.

C6H12O6 → C3H6O3 + energie (2ATP)

V procesu alkoholové fermentace v nepřítomnosti molekul kyslíku spolu s energií vznikají molekuly etanolu a oxidu uhličitého jako konečné produkty reakce.

C6H12O6 → C2H5OH + CO2 + energie (2ATP)

Chcete-li se dozvědět více o fermentaci, přečtěte si náš článek na Je fermentace anaerobní dýchání: co, proč, podrobná fakta

Celkově lze říci, že proces buněčného dýchání je nejdůležitějším metabolickým procesem pro energii živých organismů. Pouze tímto procesem buňka rozbíjí živiny a přeměňuje je na energetické jednotky ATP. Zde diskutujeme všechny možné aspekty týkající se procesu buněčného dýchání včetně kroků, typů a mnoha dalších. Role procesu buněčného dýchání při generování energie je obrovská. 

Také čtení: