Šūnu elpošana ir process, kurā dzīvie organismi iegūst enerģiju no pārtikas. Ir divas galvenās metodes. Aerobā elpošana, ko izmanto visas daudzšūnu un dažas vienšūnu dzīvības formas, izmanto atmosfērā vai ūdenī izšķīdinātu skābekli kā daļu no sarežģīta procesa, kas atbrīvo un uzglabā enerģiju. Anaerobo elpošanu izmanto dažādi vienšūnas organismi, un tajā nav iesaistīts nekombinēts skābeklis.
Aerobās elpošanas parādīšanās
Pirmās dzīvības formas uz Zemes radās pasaulē, kurā nebija brīva skābekļa. Viņi izmantoja anaerobos procesus, lai nodrošinātu sevi ar enerģiju. Kādā brīdī, vēl agrā Zemes vēsturē, attīstījās organismi, kas izmantoja fotosintēzi, lai ražotu cukura molekulas, izmantojot oglekļa dioksīdu, kas iegūts no atmosfēras un ūdens. Cukurs kalpoja kā enerģijas avots, un process radīja skābekli kā blakusproduktu. Skābeklis bija toksisks daudziem anaerobiem organismiem, taču daži attīstījās, lai to izmantotu jauna veida elpošanā, kas faktiski nodrošināja daudz vairāk enerģijas nekā anaerobais process.
Agrākās dzīvības formas sastāvēja no šūnām, kurām nebija kodolu vai citu skaidri definētu struktūru. Tos sauc par prokariotiem, un tie ietver tādus organismus kā baktērijas un zilaļģes, kas pazīstamas arī kā zilaļģes. Vēlāk radās šūnas ar kodoliem un citām struktūrām; tos sauc par eikariotiem. Tajos ietilpst daži vienšūnas un visi daudzšūnu organismi, piemēram, augi un dzīvnieki. Visi eikarioti un daži prokarioti izmanto aerobo elpošanu.
Kā darbojas aerobā elpošana
Šūnas uzglabā enerģiju molekulā, ko sauc par adenozīna trifosfātu (ATP). Šis savienojums satur trīs fosfātu (PO4) grupas, bet var atbrīvot enerģiju, zaudējot vienu no tām, veidojot adenozīna difosfātu (ADP). Un otrādi, ADP var iegūt fosfātu grupu, lai kļūtu par ATP, tādējādi uzglabājot enerģiju.
Vēl viena svarīga molekula ir nikotīnamīda adenīna dinukleotīds. Tas var pastāvēt divos veidos: NAD+, kas var pieņemt divus elektronus un vienu ūdeņraža (H+) jonu, veidojot NADH, kas var dot elektronus citām molekulām. Savienojumu izmanto elpošanā, lai transportētu elektronus no vienas vietas uz otru.
Elpošanas sākumpunkts ir glikoze (C6H12O6), viens no vienkāršākajiem ogļhidrātiem. Sarežģītākas cukura molekulas pārtikā vispirms tiek sadalītas šajā savienojumā. Savukārt glikozi sadala process, ko sauc par glikolīzi, kas notiek citoplazmā jeb šūnu šķidrumā un ir kopīgs gan anaerobajā, gan aerobajā elpošanā.
Glikolīze
Glikolīzes procesā tiek izmantotas divas ATP molekulas, lai glikozi, kurā ir seši oglekļa atomi, vairākās darbībās pārvērstu divās trīs oglekļa molekulās savienojumā, ko sauc par piruvātu. Līdz šī procesa beigām tiek ražotas četras ATP molekulas, tādējādi kopumā iegūstot divus ATP, kas nozīmē uzkrātās enerģijas pieaugumu. Glikolīzes rezultātā arī divas NAD+ molekulas no glikozes paņem divus elektronus un vienu ūdeņraža jonu, veidojot NADH. Tādējādi kopumā glikolīzes rezultātā veidojas divas piruvāta molekulas, divas ATP un divas NADH.
Eikariotu šūnās atlikušie aerobās elpošanas posmi notiek struktūrās, kas pazīstamas kā mitohondriji. Tiek uzskatīts, ka šie sīkie orgāni kādreiz bija neatkarīgi organismi, kas kaut kad tālā pagātnē tika iekļauti šūnās. Katra piruvāta molekula ar NAD+ palīdzību tiek pārveidota par savienojumu, ko sauc par acetilcoA, zaudējot oglekļa un divus skābekļa atomus, veidojot oglekļa dioksīdu kā atkritumu produktu un veidojot citu NADH molekulu.
Krebsa cikls
Nākamo posmu sauc par Krebsa ciklu, ko sauc arī par trikarbonskābes (TCA) vai citronskābes ciklu. AcetilcoA no piruvāta apvienojas ar savienojumu, ko sauc par oksaolacetātu, lai iegūtu citrātu vai citronskābi, kas vairākās darbībās, kurās iesaistīts NAD+, rada ATP, kā arī NADH un citu molekulu, ko sauc par FADH2, kurai ir līdzīga funkcija. Tā rezultātā citronskābe tiek pārvērsta atpakaļ par oksaloacetātu, lai atkal sāktu ciklu. Katrs pabeigtais cikls rada divas ATP molekulas, astoņas NADH un divas FADH2 no divām piruvāta molekulām.
Elektronu transportēšanas fosforilēšana
Pēdējais posms ir pazīstams kā elektronu transportēšanas fosforilēšana vai oksidatīvā fosforilēšana. Šajā procesa brīdī NADH un FADH2 pārvadātie elektroni tiek izmantoti, lai nodrošinātu enerģiju fosfātu grupu pievienošanai ADP molekulām, lai iegūtu līdz 32 ATP molekulām. Tas notiek mitohondriju membrānā, izmantojot piecu proteīnu sēriju, caur kurām tiek transportēti elektroni. Skābeklis, kas viegli pieņem elektronus, ir nepieciešams, lai procesa beigās tos noņemtu. Pēc tam skābeklis apvienojas ar ūdeņraža joniem, kas atbrīvoti no NADH, veidojot ūdeni.
Efektivitāte
Kopumā aerobās elpošanas process teorētiski var radīt līdz pat 36 enerģiju uzkrājošām ATP molekulām katrai glikozes molekulai, salīdzinot ar tikai divām anaerobās elpošanas molekulām, padarot to par daudz energoefektīvāku procesu. Tomēr praksē tiek uzskatīts, ka parasti tiek ražotas aptuveni 31 vai 32 ATP molekulas, jo pēdējās stadijās var notikt citas reakcijas. Lai gan šis process ir ļoti efektīvs enerģijas ražošanas un uzglabāšanas veids, tas rada arī nelielu daudzumu ļoti reaktīvu skābekļa formu, kas pazīstamas kā peroksīdi un superoksīdi. Tie ir potenciāli kaitīgi šūnām, un daži zinātnieki uzskata, ka tie var būt saistīti ar novecošanos un dažām slimībām.