Respirasi sel

Respirasi sel merupakan tindak balas metabolisme dan proses yang berlaku dalam sel atau merentas membran plasma untuk menghasilkan tenaga biokimia daripada molekul bahan api dan pelepasan sisa-sisa sel. Tenaga dilepaskan oleh pengoksidaan molekul bahan api dan disimpan sebagai pembawa "tinggi tenaga". Tindak balas yang terlibat dalam respirasi ialah tindak balas katabolisme dalam metabolisme.

Molekul bahan api yang lazim digunakan oleh sel-sel dalam respirasi termasuk glukosa, asid amino, asid lemak dan agen pengoksida yang biasa ialah molekul oksigen, O2. Terdapat organisma yang mampu berespirasi menggunakan molekul organik lain selain oksigen sebagai agen pengoksida. Organisme yang menggunakan oksigen ialah organisme aerob, manakala organisme yang tidak menggunakan oksigen disebut anaerob.

Tenaga yang dilepaskan dalam respirasi digunakan untuk mensintesiskan molekul yang berperanan sebagai penyimpan kimia tenaga ini. Sebatian yang paling lazim digunakan ialah adenosina trifosfat (ATP) dan tenaga kimia yang disimpannya boleh digunakan untuk pelbagai proses yang memerlukan tenaga, termasuk biosintesis, gerak alih atau pengangkutan molekul merentas membran plasma. Disebabkan ciri merata ini, ATP juga dikenali sebagai "mata wang tenaga sejagat", kerana jumlah ATP dalam sel menunjukkan beberapa banyak tenaga yang sedia ada untuk proses memerlukan tenaga.

Respirasi aerob 
Respirasi aerob memerlukan oksigen untuk menghasilkan tenaga (ATP). Tindak balas ringkasnya (asas) ialah:

C6H12O6 (aq) + 6O2 (g) → 6CO2 (g) + 6H2O (l) ΔHc -2880 kJ

Glikolisis 

Glikolisis adalah laluan metabolik yang berlaku dalam sitosol sel dalam semua organisma hidup. Glikolisis boleh diterjemahkan secara literal sebagai "pemecahan gula", dan berlaku dengan atau tanpa kehadiran oksigen. Dalam keadaan aerobik, proses menukar satu molekul glukosa kepada dua molekul piruvat (asid piruvik), menjana tenaga dalam bentuk dua molekul bersih ATP. Empat molekul ATP setiap glukosa sebenarnya dihasilkan, tetapi dua dimakan sebagai sebahagian daripada fasa persediaan. Fosforilasi awal glukosa diperlukan untuk meningkatkan kereaktifan (menurunkan kestabilannya) agar molekul tersebut dibelah menjadi dua molekul piruvat oleh enzim aldolase. Semasa fasa pembayaran glikolisis, empat kumpulan fosfat dipindahkan ke ADP oleh fosforilasi peringkat substrat untuk membuat empat ATP, dan dua NADH dihasilkan apabila piruvat teroksida. Reaksi keseluruhan boleh dinyatakan dengan cara ini:

Glukosa + 2 NAD+ + 2 Pi + 2 ADP → 2 piruvat + 2 H+ + 2 NADH + 2 ATP + 2 H+ + 2 H2O + Tenaga

Bermula dengan glukosa, 1 ATP digunakan untuk menderma fosfat kepada glukosa untuk menghasilkan glukosa 6-fosfat. Glikogen boleh ditukar menjadi glukosa 6-fosfat juga dengan bantuan glikogen fosforilase. Semasa metabolisme tenaga, glukosa 6-fosfat menjadi fruktosa 6-fosfat. ATP tambahan digunakan untuk memfosforilasi fruktosa 6-fosfat kepada fruktosa 1,6-bifosfat dengan bantuan fosfofruktokinase. Fruktosa 1,6-bifosfat kemudian berpecah kepada dua molekul terfosforilasi dengan tiga rantai karbon yang kemudiannya terurai menjadi piruvat.

Dekarboksilasi oksidatif piruvat 

Piruvat dioksidakan kepada asetil-KoA dan CO2 oleh kompleks piruvat dehidrogenase (PDC). PDC mengandungi berbilang salinan tiga enzim dan terletak dalam mitokondria sel eukariotik dan dalam sitosol prokariot. Dalam penukaran piruvat kepada asetil-KoA, satu molekul NADH dan satu molekul CO2 terbentuk.

Kitar Krebs 

Ini juga dipanggil kitaran Krebs atau kitaran asid trikarboksilik. Apabila oksigen hadir, asetil-KoA terhasil daripada molekul piruvat yang terhasil daripada glikolisis. Sebaik sahaja asetil-KoA terbentuk, respirasi aerobik atau anaerobik boleh berlaku. Apabila oksigen hadir, mitokondria akan menjalani respirasi aerobik yang membawa kepada kitaran Krebs. Walau bagaimanapun, jika oksigen tidak hadir, penapaian molekul piruvat akan berlaku. Dengan kehadiran oksigen, apabila asetil-KoA dihasilkan, molekul kemudian memasuki kitaran asid sitrik (kitaran Krebs) di dalam matriks mitokondria, dan dioksidakan kepada CO2 manakala pada masa yang sama mengurangkan NAD kepada NADH. NADH boleh digunakan oleh rantai pengangkutan elektron untuk mencipta ATP selanjutnya sebagai sebahagian daripada fosforilasi oksidatif. Untuk mengoksidakan sepenuhnya setara dengan satu molekul glukosa, dua asetil-KoA mesti dimetabolismekan oleh kitaran Krebs. Dua bahan buangan bertenaga rendah, H2O dan CO2, dicipta semasa kitaran ini.

Kitaran asid sitrik ialah proses 8 langkah yang melibatkan 18 enzim dan ko-enzim yang berbeza. Semasa kitaran, asetil-KoA (2 karbon) + oksaloasetat (4 karbon) menghasilkan sitrat (6 karbon), yang disusun semula kepada bentuk yang lebih reaktif dipanggil isositrat (6 karbon). Isositrat diubah suai menjadi α-ketoglutarat (5 karbon), succinyl-CoA, succinate, fumarate, malate, dan, akhirnya, oksaloasetat.

Keuntungan bersih daripada satu kitaran ialah 3 NADH dan 1 FADH2 sebagai sebatian pembawa hidrogen (proton tambah elektron) dan 1 GTP bertenaga tinggi, yang kemudiannya boleh digunakan untuk menghasilkan ATP. Oleh itu, jumlah hasil daripada 1 molekul glukosa (2 molekul piruvat) ialah 6 NADH, 2 FADH2, dan 2 ATP.

Fosforilasi oksidatif 

Dalam eukariota, fosforilasi oksidatif berlaku dalam krista mitokondria. Ia terdiri daripada rantai pengangkutan elektron yang mewujudkan kecerunan proton (potensi kemiosmotik) merentasi sempadan membran dalam dengan mengoksidakan NADH yang dihasilkan daripada kitaran Krebs. ATP disintesis oleh enzim ATP sintase apabila kecerunan chemiosmotic digunakan untuk memacu fosforilasi ADP. Elektron akhirnya dipindahkan ke oksigen eksogen dan, dengan penambahan dua proton, air terbentuk.

Penghasilan ATP

Respirasi anerob

Fermentasi 
Tanpa oksigen, piruvat (asid piruvik) tidak dimetabolismekan oleh respirasi selular tetapi melalui proses penapaian. Piruvat tidak diangkut ke dalam mitokondria tetapi kekal dalam sitoplasma, di mana ia ditukar kepada bahan buangan yang mungkin dikeluarkan dari sel. Ini berfungsi untuk mengoksidakan pembawa elektron supaya mereka boleh melakukan glikolisis semula dan mengeluarkan piruvat yang berlebihan. Penapaian mengoksidakan NADH kepada NAD+ supaya ia boleh digunakan semula dalam glikolisis. Dengan ketiadaan oksigen, penapaian menghalang pembentukan NADH dalam sitoplasma dan menyediakan NAD+ untuk glikolisis. Bahan buangan ini berbeza-beza bergantung kepada organisma. Dalam otot rangka, bahan buangan adalah asid laktik. Penapaian jenis ini dipanggil penapaian asid laktik. Dalam latihan yang berat, apabila permintaan tenaga melebihi bekalan tenaga, rantai pernafasan tidak dapat memproses semua atom hidrogen yang dicantumkan oleh NADH. Semasa glikolisis anaerobik, NAD+ menjana semula apabila pasangan hidrogen bergabung dengan piruvat untuk membentuk laktat. Pembentukan laktat dimangkinkan oleh laktat dehidrogenase dalam tindak balas boleh balik. Laktat juga boleh digunakan sebagai prekursor tidak langsung untuk glikogen hati. Semasa pemulihan, apabila oksigen tersedia, NAD+ melekat pada hidrogen daripada laktat untuk membentuk ATP. Dalam yis, bahan buangan adalah etanol dan karbon dioksida. Penapaian jenis ini dikenali sebagai penapaian alkohol atau etanol. ATP yang dihasilkan dalam proses ini dibuat oleh fosforilasi peringkat substrat, yang tidak memerlukan oksigen.

Penapaian kurang cekap menggunakan tenaga daripada glukosa: hanya 2 ATP dihasilkan setiap glukosa, berbanding dengan 38 ATP setiap glukosa yang dihasilkan secara nominal oleh respirasi aerobik. ATP glikolitik, bagaimanapun, dicipta lebih cepat. Untuk prokariot meneruskan kadar pertumbuhan yang pesat apabila ia beralih daripada persekitaran aerobik kepada persekitaran anaerobik, ia mesti meningkatkan kadar tindak balas glikolitik. Untuk organisma multiselular, semasa letusan pendek aktiviti berat, sel-sel otot menggunakan penapaian untuk menambah pengeluaran ATP daripada respirasi aerobik yang lebih perlahan, jadi penapaian boleh digunakan oleh sel walaupun sebelum tahap oksigen habis, seperti yang berlaku dalam sukan yang melakukannya. tidak memerlukan atlit untuk memacu diri, seperti lari pecut.