Celični proces dihanja, vrste in funkcije



The celično dihanje gre za proces, ki proizvaja energijo v obliki ATP (adenozin trifosfat). Nato se ta energija usmeri v druge celične procese. Med tem pojavom se molekule oksidirajo in končni akceptor elektrona je v večini primerov anorganska molekula..

Narava končnega akceptorja elektrona je odvisna od vrste dihanja preučevanega organizma. Pri aerobih - kot Homo sapiens - je končni akceptor elektrona kisik. V nasprotju s tem je lahko za posameznike z anaerobno respiracijo kisik toksičen. V tem zadnjem primeru je končni akceptor anorganska molekula, ki se razlikuje od kisika.

Biokemiki so veliko raziskali aerobno dihanje in ga sestavljata dve stopnji: Krebsov cikel in transportna veriga elektronov.

Pri evkariontskih organizmih so vsi stroji, ki so potrebni za dihanje, znotraj mitohondrijev, tako v mitohondrijskem matriksu kot v membranskem sistemu tega organela..

Stroji so sestavljeni iz encimov, ki katalizirajo reakcije procesa. Za prokariontsko linijo je značilna odsotnost organelov; Zaradi tega pride do dihanja v določenih predelih plazemske membrane, ki simulirajo okolje, ki je zelo podobno okolju mitohondrijev..

Indeks

  • 1 Terminologija
  • 2 Kje se pojavi celično dihanje??
    • 2.1 Lokacija dihanja pri evkariontih
    • 2.2 Število mitohondrijev
    • 2.3 Lokacija prokariontskega dihanja
  • 3 Vrste
    • 3.1 Aerobna respiracija
    • 3.2 Anerbično dihanje
    • 3.3 Primeri anaerobnih organizmov
  • 4 Postopek
    • 4.1 Krebsov cikel
    • 4.2 Reakcije Krebsovega cikla
    • 4.3 Vektor prenosa elektronov
    • 4.4 Kemososmotsko spajanje
    • 4.5 Nastala količina ATP
  • 5 Funkcije
  • 6 Reference

Terminologija

Na področju fiziologije ima izraz "dihanje" dve definiciji: pljučno dihanje in celično dihanje. Ko uporabljamo besedo dihanje v vsakdanjem življenju, se nanašamo na prvi tip.

Pljučno dihanje vključuje delovanje navdiha in iztekanja, rezultat tega je izmenjava plinov: kisika in ogljikovega dioksida. Pravilen izraz za ta pojav je "prezračevanje".

V nasprotju s tem se celično dihanje pojavi - kot pove že ime - znotraj celic in je proces, ki je odgovoren za generiranje energije prek verige prenosa elektronov. Ta zadnji proces je tisti, o katerem bomo razpravljali v tem članku.

Kje se pojavi celično dihanje??

Lokacija dihanja pri evkariontih

Celično dihanje poteka v kompleksnem organelu, imenovanem mitohondriji. Strukturno so mitohondriji 1,5 mikrometra široki in 2 do 8 dolgi. Za njih je značilno, da imajo lasten genetski material in jih delijo z binarno fisijo - lastnostmi endosimbiotičnega izvora..

Imajo dve membrani, eno gladko in eno notranjo z gubami, ki tvorijo grebene. Bolj aktivna je mitohondrija, več je grebenov.

Notranjost mitohondrije imenujemo mitohondrijski matriks. V tem oddelku so encimi, koencimi, voda in fosfati, potrebni za dihalne reakcije.

Zunanja membrana omogoča prehod večine majhnih molekul. Vendar pa je notranja membrana tista, ki dejansko omejuje prehod skozi zelo specifične transporterje. Prepustnost te strukture ima temeljno vlogo pri proizvodnji ATP.

Število mitohondrijev

Encimi in druge sestavine, potrebne za celično dihanje, najdemo zasidrane v membranah in prosto v mitohondrijskem matriksu..

Zato so za celice, ki zahtevajo večjo količino energije, značilno veliko število mitohondrijev, v nasprotju s celicami, katerih energijska potreba je nižja..

Na primer, jetrne celice imajo v povprečju 2.500 mitohondrijev, medtem ko mišične celice (zelo metabolično aktivne) vsebujejo veliko večje število in mitohondrije te celične vrste so večje..

Poleg tega se te nahajajo v posebnih regijah, kjer je potrebna energija, npr.

Lokacija prokariontskega dihanja

Logično je, da morajo prokariontski organizmi dihati in ti nimajo mitohondrijev - niti kompleksnih organelov, značilnih za evkarionte. Zato se dihalni proces odvija v majhnih invaginacijah plazemske membrane, analogno mitohondrijem..

Vrste

Obstajata dve temeljni vrsti dihanja, odvisno od molekule, ki je delovala kot končni akceptor elektronov. Pri aerobni respiraciji je akceptor kisik, pri anaerobnem dihanju pa anorganska molekula - čeprav je v nekaterih redkih primerih akceptor organska molekula. V nadaljevanju bomo podrobno opisali:

Aerobna respiracija

V organizmih z aerobno dihanje je končni akceptor elektronov kisik. Koraki, ki se dogajajo, se delijo na Krebsov cikel in verigo prenosa elektronov.

Podrobnejša razlaga reakcij, ki potekajo v teh biokemičnih poteh, bo razvita v naslednjem poglavju.

Anehobično dihanje

Končni akceptor je sestavljen iz molekule, ki ni kisik. Količina ATP, ki jo povzroči anaerobno dihanje, je odvisna od več dejavnikov, vključno s študijskim organizmom in uporabljeno potjo..

Vendar pa je proizvodnja energije vedno večja v aerobni respiraciji, saj Krebsov cikel deluje le delno in ne vse transportne molekule v verigi sodelujejo pri dihanju.

Zaradi tega je rast in razvoj anaerobnih posameznikov bistveno nižja od aerobike.

Primeri anaerobnih organizmov

V nekaterih organizmih je kisik strupen in se imenujejo strogi anaerobi. Najbolj znan primer je bakterija, ki povzroča tetanus in botulizem: Clostridium.

Poleg tega obstajajo še drugi organizmi, ki se lahko izmenjajo med aerobno in anaerobno dihanje, imenovani fakultativni anaerobi. Z drugimi besedami, uporabljajo kisik, ko jim ustreza in v odsotnosti tega uporabijo anaerobno dihanje. Na primer, dobro znana bakterija Escherichia coli ima to presnovo.

Nekatere bakterije lahko uporabljajo nitratni ion (NO3-) kot končni akceptor elektronov, kot so žanri Pseudomonas in Bacillus. Ta ion se lahko reducira na nitritni ion, dušikov oksid ali dušikov plin.

V drugih primerih je končni akceptor sestavljen iz sulfatnega iona (SO42-), ki povzroči vodikov sulfid in ki uporablja karbonat za tvorbo metana. Rod bakterij Desulfovibrio je primer te vrste akceptorja.

Sprejem elektronov v nitratnih in sulfatnih molekulah je ključen za biogeokemične cikle teh spojin - dušik in žveplo..

Proces

Glikoliza je predhodna pot do celičnega dihanja. Začne se s molekulo glukoze in končni produkt je piruvat, molekula s tremi ogljiki. Glycolysis poteka v citoplazmi celice. Ta molekula mora biti sposobna vstopiti v mitohondrije, da nadaljuje svojo degradacijo.

Piruvat lahko razprši po koncentracijskih gradientih v organele skozi pore membrane. Končni cilj bo matrica mitohondrijev.

Pred vstopom v prvo stopnjo celičnega dihanja se molekula piruvata podvrže določenim spremembam.

Najprej reagira z molekulo, imenovano koencim A. Vsak piruvat se razcepi v ogljikov dioksid in v acetilno skupino, ki se veže na koencim A, kar povzroči nastanek kompleksa acetil koencim A..

V tej reakciji se v NADP prenesejo dva elektrona in en vodikov ion+, ki daje NADH in je katalizirana z encimsko kompleksno piruvat dehidrogenazo. Reakcija potrebuje vrsto kofaktorjev.

Po tej modifikaciji se začnejo dve fazi dihanja: Krebsov cikel in transportna veriga elektronov.

Krebsov cikel

Krebsov cikel je ena najpomembnejših cikličnih reakcij v biokemiji. Znan je tudi v literaturi kot cikel citronske kisline ali cikel tricarboksilne kisline (TCA)..

Ime prejme v čast svojega odkritelja: nemškega biokemičarja Hansa Krebsa. Leta 1953 je Krebs prejel Nobelovo nagrado zaradi tega odkritja, ki je zaznamovalo področje biokemije.

Cilj cikla je postopno sproščanje energije, ki jo vsebuje acetil koencim A. Sestoji iz niza oksidacijskih in redukcijskih reakcij, ki prenašajo energijo v različne molekule, predvsem v NAD.+.

Za vsako od dveh molekul acetil koencima A, ki vstopijo v cikel, se sproščajo štiri molekule ogljikovega dioksida, nastane šest molekul NADH in dve FADH.2. CO2 Izpušča se v ozračje kot odpadna snov v procesu. Ustvari se tudi GTP.

Ker ta pot sodeluje v anaboličnih (sintezah molekul) in katabolnih (razgradnjah molekul) procesov, se imenuje "amfibolična".

Reakcije Krebsovega cikla

Cikel se začne s fuzijo molekule acetil koencima A z molekulo oksaloacetata. Rezultat tega sindroma je šestkotna molekula: citrat. Tako se sprosti koencim A. Dejstvo je, da je ponovno uporabljen večkrat. Če je v celici veliko ATP, ta korak zavira.

Zgornja reakcija potrebuje energijo in je pridobljena z razpadom visoke energetske vezi med acetilno skupino in koencimom A.

Citrat preide na cis aconitato in se izzitrira z encimom aconitasa. Naslednji korak je pretvorba izocitrata v alfa ketoglutarat z dehidrogeniranim izocitratom. Ta stopnja je pomembna, ker vodi do zmanjšanja NADH in sprosti ogljikov dioksid.

Alfa ketoglutarat se pretvori v sukcinil koencim A z alfa ketoglutarat dehidrogenazo, ki uporablja iste kofaktorje kot piruvat kinaza. V tem koraku nastaja tudi NADH in kot začetni korak zavira presežek ATP.

Naslednji produkt je sukcinat. V svoji proizvodnji nastane GTP. Sukcinat prehaja v fumarat. Ta reakcija daje FADH. Fumarat postane malat in končno oksalacetat.

Veriga za prenos elektrona

Ciljna veriga za prenos elektronov je, da vzame elektrone iz spojin, ki nastanejo v prejšnjih korakih, kot sta NADH in FADH2, ki so na visoki energetski ravni in jih vodijo na nižjo energetsko raven.

To zmanjšanje energije poteka korak za korakom, kar pomeni, da se to ne zgodi nenadoma. Sestavljen je iz vrste korakov, kjer se pojavijo oksidacijsko-redukcijske reakcije.

Glavne sestavine verige so kompleksi, ki jih tvorijo proteini in encimi, povezani s citokromi: metaloporfirini tipa heme.

Citokromi so po svoji strukturi precej podobni, čeprav ima vsak posebnost, ki ji omogoča, da opravlja svojo specifično funkcijo znotraj verige, poje elektrone na različnih ravneh energije..

Premestitev elektronov skozi dihalno verigo na nižje nivoje povzroči sproščanje energije. Ta energija se lahko uporablja v mitohondrijih za sintetiziranje ATP v procesu, znanem kot oksidativna fosforilacija.

Chemosmotic coupling

Mehanizem tvorbe ATP v verigi je bil dolgo časa enigma, dokler ni biokemičar Peter Mitchell predlagal kemosotsko vezavo..

V tem pojavu se skozi notranjo mitohondrijsko membrano vzpostavi protonski gradient. Energija, ki jo vsebuje ta sistem, se sprosti in uporablja za sintezo ATP.

Nastala količina ATP

Kot smo videli, se ATP ne tvori neposredno v Krebsovem ciklu, ampak v verigi prenosa elektronov. Za vsaka dva elektrona, ki prehajajo iz NADH v kisik, se zgodi sinteza treh molekul ATP. Ta ocena se lahko nekoliko razlikuje glede na uporabljeno literaturo.

Podobno, za vsakih dveh elektronov, ki preidejo iz FADH2, nastanejo dve molekuli ATP.

Funkcije

Glavna funkcija celičnega dihanja je generiranje energije v obliki ATP, da se usmeri v funkcije celice..

Tako živali kot rastline zahtevajo ekstrakcijo kemične energije, ki jo vsebujejo organske molekule, ki jih uporabljajo kot hrano. V primeru zelenjave so te molekule sladkorji, ki jih ista rastlina sintetizira z uporabo sončne energije v slavnem fotosintetičnem procesu..

Živali pa po drugi strani ne morejo sintetizirati lastne hrane. Tako heterotrofi v prehrani uživajo hrano - na primer kot mi. Proces oksidacije je odgovoren za pridobivanje energije iz hrane.

Funkcij fotosinteze ne smemo zamenjevati s funkcijami dihanja. Rastline, kot živali, tudi dihajo. Oba procesa se dopolnjujeta in vzdržujeta dinamiko živega sveta.

Reference

  1. Alberts, B., in Bray, D. (2006). Uvod v celično biologijo. Ed Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., in Byers, B. E. (2003). Biologija: Življenje na Zemlji. Pearsonovo izobraževanje.
  3. Curtis, H., in Schnek, A. (2008). Curtis. Biologija. Ed Panamericana Medical.
  4. Hickman, C.P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2007). Integrirana načela zoologije. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., Francija, K., in Eckert, R. (2002). Eckertova fiziologija živali. Macmillan.
  6. Tortora, G. J., Funke, B. R., in Case, C. L. (2007). Uvod v mikrobiologijo. Ed Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J.W., Lowe, J.S., Stevens, A., & Wheater, P.R. (2000). Funkcionalna histologija: besedilni in barvni atlas. Harcourt.