Stanično disanje je proces kojim živi organizmi dobivaju energiju iz hrane. Postoje dvije glavne metode. Aerobno disanje – koje koriste svi višestanični i neki jednostanični oblici života – koristi kisik u atmosferi, ili otopljen u vodi, kao dio složenog procesa koji oslobađa i pohranjuje energiju. Anaerobno disanje koriste različiti jednostanični organizmi i ne uključuje nekombinirani kisik.
Pojava aerobnog disanja
Prvi oblici života na Zemlji nastali su u svijetu bez slobodnog kisika. Koristili su anaerobne procese kako bi si osigurali energiju. U nekom trenutku, još rano u povijesti Zemlje, evoluirali su organizmi koji su koristili fotosintezu za proizvodnju molekula šećera korištenjem ugljičnog dioksida dobivenog iz atmosfere i vode. Šećer je služio kao izvor energije, a proces je proizvodio kisik kao nusproizvod. Kisik je bio toksičan za mnoge anaerobne organizme, ali neki su evoluirali da ga koriste u novoj vrsti disanja koja je zapravo davala puno više energije od anaerobnog procesa.
Najraniji oblici života sastojali su se od stanica koje nisu imale jezgre ili druge dobro definirane strukture. Oni su poznati kao prokarioti i uključuju organizme kao što su bakterije i cijanobakterije, također poznate kao modrozelene alge. Kasnije su se pojavile stanice s jezgramom i drugim strukturama; oni su poznati kao eukarioti. Uključuju neke jednostanične i sve višestanične organizme, kao što su biljke i životinje. Svi eukarioti i neki prokarioti koriste aerobno disanje.
Kako funkcionira aerobno disanje
Stanice pohranjuju energiju u molekuli zvanoj adenozin trifosfat (ATP). Ovaj spoj sadrži tri fosfatne (PO4) skupine, ali može osloboditi energiju gubljenjem jedne od njih da nastane adenozin difosfat (ADP). Suprotno tome, ADP može dobiti fosfatnu skupinu da postane ATP, čime se pohranjuje energija.
Druga važna molekula je nikotinamid adenin dinukleotid. Može postojati u dva oblika: NAD+, koji može prihvatiti dva elektrona i jedan vodikov (H+) ion da nastane NADH, koji može dati elektrone drugim molekulama. Spoj se koristi u disanju za prijenos elektrona s jednog mjesta na drugo.
Polazna točka za disanje je glukoza (C6H12O6), jedan od najjednostavnijih ugljikohidrata. Složenije molekule šećera u hrani prvo se razgrađuju u ovaj spoj. Glukoza se zauzvrat razgrađuje procesom zvanim glikoliza, koji se odvija u citoplazmi ili staničnoj tekućini, a zajednički je i za anaerobno i za aerobno disanje.
glikoliza
Proces glikolize koristi dvije ATP molekule za pretvaranje glukoze, koja ima šest atoma ugljika, u dvije molekule s tri ugljika spoja zvanog piruvat u nizu koraka. Do kraja ovog procesa proizvode se četiri ATP molekule, tako da postoji ukupni dobitak od dva ATP-a, što predstavlja povećanje pohranjene energije. Glikoliza također dovodi do toga da dvije NAD+ molekule uzimaju po dva elektrona i jedan vodikov ion iz glukoze kako bi formirale NADH. Sveukupno, stoga, glikoliza rezultira dvije molekule piruvata, dvije ATP i dvije NADH.
U eukariotskim stanicama, preostali stupnjevi aerobnog disanja odvijaju se u strukturama poznatim kao mitohondriji. Smatra se da su ti sićušni organi nekoć bili neovisni organizmi koji su ugrađeni u stanice u neko vrijeme u dalekoj prošlosti. Svaka molekula piruvata se pretvara, uz pomoć NAD+, u spoj nazvan acetil coA, gubeći atom ugljika i dva kisika kako bi nastao ugljični dioksid kao otpadni proizvod i tvoreći drugu molekulu NADH.
Krebsov ciklus
Sljedeća faza se zove Krebsov ciklus, također poznat kao ciklus trikarboksilne kiseline (TCA) ili ciklus limunske kiseline. Acetil coA iz piruvata kombinira se sa spojem zvanim oksaolacetat kako bi se dobio citrat ili limunska kiselina, koja u nizu koraka koji uključuju NAD+ proizvodi ATP, kao i NADH i drugu molekulu zvanu FADH2, koja ima sličnu funkciju. To rezultira pretvaranjem limunske kiseline u oksaloacetat kako bi se ciklus ponovno započeo. Svaki završeni ciklus proizvodi dvije molekule ATP-a, osam NADH i dvije FADH2 iz dvije molekule piruvata.
Fosforilacija transporta elektrona
Posljednja faza je poznata kao fosforilacija transporta elektrona ili oksidativna fosforilacija. U ovom trenutku u procesu, elektroni koje nose NADH i FADH2 koriste se za osiguravanje energije za pričvršćivanje fosfatnih skupina na molekule ADP-a za proizvodnju do 32 molekule ATP-a. To se događa na membrani mitohondrija putem niza od pet proteina preko kojih se transportiraju elektroni. Kisik, koji lako prihvaća elektrone, potreban je za njihovo uklanjanje na kraju procesa. Kisik se zatim spaja s vodikovim ionima koji se oslobađaju iz NADH i tvore vodu.
Učinkovitost
Sveukupno, aerobni proces disanja može, u teoriji, proizvesti do 36 molekula ATP-a koje pohranjuju energiju za svaku molekulu glukoze, u usporedbi sa samo dvije za anaerobno disanje, što ga čini energetski učinkovitijim procesom. U praksi se, međutim, smatra da se obično proizvodi oko 31 ili 32 molekule ATP-a, jer se druge reakcije mogu odvijati u završnim fazama. Iako je ovaj proces vrlo učinkovit način proizvodnje i skladištenja energije, on također proizvodi male količine vrlo reaktivnih oblika kisika, poznatih kao peroksidi i superoksidi. Oni su potencijalno štetni za stanice i neki znanstvenici smatraju da bi mogli biti uključeni u starenje i neke bolesti.