Solujen hengitys on prosessi, jolla elävät organismit saavat energiaa ruoasta. Päämenetelmiä on kaksi. Aerobinen hengitys – jota käyttävät kaikki monisoluiset ja jotkut yksisoluiset elämänmuodot – käyttää happea ilmakehässä tai liuotettuna veteen osana monimutkaista prosessia, joka vapauttaa ja varastoi energiaa. Anaerobista hengitystä käyttävät useat yksisoluiset organismit, eikä siihen liity yhdistämätöntä happea.
Aerobisen hengityksen syntyminen
Ensimmäiset elämänmuodot maapallolla syntyivät maailmassa, jossa ei ollut vapaata happea. He käyttivät anaerobisia prosesseja saadakseen itselleen energiaa. Jossain vaiheessa, vielä maan historian alkuvaiheessa, kehittyivät organismit, jotka käyttivät fotosynteesiä sokerimolekyylien tuottamiseksi käyttämällä ilmakehästä saatua hiilidioksidia ja vettä. Sokeri toimi energianlähteenä ja prosessi tuotti happea sivutuotteena. Happi oli myrkyllistä monille anaerobisille organismeille, mutta jotkut kehittyivät käyttämään sitä uudenlaisessa hengityksessä, joka todella antoi paljon enemmän energiaa kuin anaerobinen prosessi.
Varhaisimmat elämänmuodot koostuivat soluista, joilla ei ollut ytimiä tai muita hyvin määriteltyjä rakenteita. Nämä tunnetaan prokaryooteina ja sisältävät organismeja, kuten bakteereja ja sinileviä, jotka tunnetaan myös nimellä sinilevät. Myöhemmin syntyi soluja, joissa oli ytimiä ja muita rakenteita; nämä tunnetaan eukaryooteina. Niihin kuuluu joitakin yksisoluisia ja kaikkia monisoluisia organismeja, kuten kasveja ja eläimiä. Kaikki eukaryootit ja jotkut prokaryootit käyttävät aerobista hengitystä.
Miten aerobinen hengitys toimii
Solut varastoivat energiaa molekyyliin nimeltä adenosiinitrifosfaatti (ATP). Tämä yhdiste sisältää kolme fosfaatti- (PO4) ryhmää, mutta voi vapauttaa energiaa menettämällä yhden näistä muodostaen adenosiinidifosfaatin (ADP). Päinvastoin, ADP voi saada fosfaattiryhmän ATP: ksi, jolloin energia varastoituu.
Toinen tärkeä molekyyli on nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi. Se voi esiintyä kahdessa muodossa: NAD+, joka voi hyväksyä kaksi elektronia ja yhden vety (H+) -ionin muodostaakseen NADH: n, joka voi antaa elektroneja muille molekyyleille. Yhdistettä käytetään hengityksessä elektronien kuljettamiseen paikasta toiseen.
Hengityksen lähtökohta on glukoosi (C6H12O6), yksi yksinkertaisimmista hiilihydraateista. Ruoan monimutkaisemmat sokerimolekyylit hajotetaan ensin tähän yhdisteeseen. Glukoosi hajoaa puolestaan glykolyysimenetelmällä, joka tapahtuu sytoplasmassa eli solunesteessä ja on yhteinen sekä anaerobiselle että aerobiselle hengitykselle.
Glykolyysivaiheen
Glykolyysiprosessi käyttää kahta ATP-molekyyliä muuntaakseen glukoosin, jossa on kuusi hiiliatomia, pyruvaatiksi kutsutun yhdisteen kahdeksi kolmen hiilen molekyyliksi sarjassa. Prosessin loppuun mennessä tuotetaan neljä ATP -molekyyliä siten, että kahden ATP: n kokonaisvahvistus on, mikä edustaa varastoidun energian lisäystä. Glykolyysin tuloksena on myös kaksi NAD+ -molekyyliä, joista jokainen ottaa kaksi elektronia ja yhden vetyionin glukoosista NADH: n muodostamiseksi. Kaiken kaikkiaan glykolyysi johtaa siis kahteen pyruvaattimolekyyliin, kahteen ATP: hen ja kahteen NADH -molekyyliin.
Eukaryoottisoluissa aerobisen hengityksen jäljellä olevat vaiheet tapahtuvat mitokondrioina tunnetuissa rakenteissa. Näiden pienien elinten uskotaan olleen kerran itsenäisiä organismeja, jotka sisällytettiin soluihin jossain vaiheessa kaukaa. Jokainen pyruvaatimolekyyli muunnetaan NAD+: n avulla yhdisteeksi nimeltä asetyyli -coA, menettäen hiili- ja kaksi happiatomia muodostaen hiilidioksidia jätetuotteena ja muodostamalla toinen NADH -molekyyli.
Krebsin sykli
Seuraavaa vaihetta kutsutaan Krebsin sykliksi, joka tunnetaan myös nimellä trikarboksyylihappo (TCA) tai sitruunahapposykli. Pyruvaatin asetyyli -coA muodostuu yhdisteen kanssa, jota kutsutaan oksaoliasetaatiksi, jolloin muodostuu sitraattia tai sitruunahappoa, joka NAD+-prosessin aikana tuottaa ATP: tä sekä NADH: ta ja toista FADH2 -nimistä molekyyliä, jolla on samanlainen tehtävä. Tämä johtaa siihen, että sitruunahappo muutetaan takaisin oksaloasetaatiksi syklin aloittamiseksi uudelleen. Kukin valmis sykli tuottaa kaksi ATP -molekyyliä, kahdeksan NADH- ja kaksi FADH2 -molekyyliä kahdesta pyruvaattimolekyylistä.
Elektronikuljetuksen fosforylaatio
Viimeinen vaihe tunnetaan elektronien siirtofosforylaationa tai oksidatiivisena fosforylaationa. Prosessin tässä vaiheessa NADH: n ja FADH2: n kuljettamia elektroneja käytetään energian tuottamiseen fosfaattiryhmien kiinnittämiseen ADP -molekyyleihin, jolloin saadaan jopa 32 ATP -molekyyliä. Tämä tapahtuu mitokondrionkalvolla viiden proteiinin sarjan kautta, joiden läpi elektronit kulkevat. Happi, joka hyväksyy helposti elektroneja, vaaditaan poistamaan ne prosessin lopussa. Happi yhdistyy sitten NADH: sta vapautuvien vetyionien kanssa veden muodostamiseksi.
Tehokkuus
Kaiken kaikkiaan aerobinen hengitysprosessi voi teoriassa tuottaa jopa 36 energiaa varastoivaa ATP-molekyyliä kullekin glukoosimolekyylille verrattuna vain kahteen anaerobiseen hengitykseen, mikä tekee siitä paljon energiatehokkaamman prosessin. Käytännössä kuitenkin uskotaan, että tyypillisesti tuotetaan noin 31 tai 32 ATP -molekyyliä, koska muut reaktiot voivat tapahtua loppuvaiheessa. Vaikka tämä prosessi on erittäin tehokas tapa tuottaa ja varastoida energiaa, se tuottaa myös pieniä määriä hyvin reaktiivisia hapen muotoja, joita kutsutaan peroksideiksi ja superoksideiksi. Nämä voivat vahingoittaa soluja, ja joidenkin tutkijoiden mielestä ne voivat liittyä ikääntymiseen ja joihinkin sairauksiin.