Клетъчен процес на дишане, видове и функции



на клетъчно дишане това е процес, който генерира енергия под формата на АТФ (аденозин трифосфат). Впоследствие тази енергия се насочва към други клетъчни процеси. По време на това явление молекулите се подлагат на окисление и крайният акцептор на електрони в повечето случаи е неорганична молекула..

Природата на крайния акцептор на електрони зависи от вида на дишането на изследвания организъм. В аеробите - като Homo sapiens - крайният акцептор на електрони е кислород. Обратно, за индивиди с анаеробно дишане кислородът може да бъде токсичен. В последния случай крайният акцептор е неорганична молекула, различна от кислорода.

Аеробното дишане е широко изучено от биохимици и се състои от два етапа: цикълът на Кребс и транспортната верига на електроните.

При еукариотните организми, цялата машина, необходима за дишане, трябва да се проведе вътре в митохондриите, както в митохондриалната матрица, така и в мембранната система на тази органела..

Машината се състои от ензими, които катализират реакциите на процеса. Прокариотната линия се характеризира с отсъствието на органели; По тази причина дишането се случва в специфични области на плазмената мембрана, които симулират среда, много близка до тази на митохондриите..

индекс

  • 1 Терминология
  • 2 Къде се случва клетъчното дишане??
    • 2.1 Място на дишане при еукариоти
    • 2.2 Брой на митохондриите
    • 2.3 Местоположение на прокариотното дишане
  • 3 вида
    • 3.1 Аеробно дишане
    • 3.2 Анербично дишане
    • 3.3 Примери за анаеробни организми
  • 4 Процес
    • 4.1 Цикълът на Кребс
    • 4.2 Реакции на цикъла на Кребс
    • 4.3 Верига за транспортиране на електрони
    • 4.4 Хемозотично свързване
    • 4.5 Образувано количество АТР
  • 5 Функции
  • 6 Препратки

терминология

В областта на физиологията терминът "дишане" има две дефиниции: белодробно дишане и клетъчно дишане. Когато използваме думата дишане в ежедневния живот, се отнасяме към първия тип.

Белодробното дишане включва действието на вдъхновение и изтичане, което води до обмен на газове: кислород и въглероден диоксид. Правилният термин за това явление е "вентилация".

За разлика от тях, клетъчното дишане възниква - както подсказва името - вътре в клетките и е процес, отговорен за генериране на енергия през електронна транспортна верига. Този последен процес е този, който ще бъде обсъден в тази статия.

Къде се случва клетъчното дишане??

Местоположение на дишането при еукариоти

Клетъчното дишане се осъществява в сложни органели, наречени митохондрии. В структурно отношение, митохондриите са широки 1,5 микрометра и 2 до 8 дълги. Те се характеризират със свой собствен генетичен материал и чрез разделяне по бинарни деления - рудиментарни характеристики на техния ендосимбиотичен произход..

Те имат две мембрани, една гладка и една вътрешна с гънки, които образуват хребетите. Колкото по-активни са митохондриите, толкова повече хребети имат.

Вътрешността на митохондриите се нарича митохондриална матрица. В този компартмент са ензимите, коензимите, водата и фосфатите, необходими за дихателните реакции.

Външната мембрана позволява преминаването на повечето малки молекули. Вътрешната мембрана обаче е тази, която реално ограничава преминаването през много специфични транспортери. Проницаемостта на тази структура играе основна роля в производството на АТР.

Брой на митохондриите

Ензимите и другите компоненти, необходими за клетъчното дишане, се намират закрепени в мембраните и свободни в митохондриалната матрица..

Следователно, клетките, които изискват по-голямо количество енергия, се характеризират с голям брой митохондрии, за разлика от клетките, чието енергийно изискване е по-ниско.

Например, чернодробните клетки имат средно 2,500 митохондрии, докато мускулната клетка (много метаболитно активна) съдържа много по-голям брой, а митохондриите от този клетъчен тип са по-големи..

В допълнение, те се намират в специфични области, където се изисква енергия, например около флага на сперматозоидите.

Местоположение на прокариотното дишане

Логично е прокариотните организми да дишат и те нямат митохондрии - нито комплексни органели, характерни за еукариотите. Поради тази причина респираторният процес протича в малки инвагинации на плазмената мембрана, аналогично на митохондриите..

тип

Има два основни типа дишане, в зависимост от молекулата, която действа като краен акцептор на електроните. При аеробното дишане акцепторът е кислород, докато при анаеробно дишане той е неорганична молекула - въпреки че в някои редки случаи акцепторът е органична молекула. След това ще опишем подробно всеки от тях:

Аеробно дишане

В организмите с аеробно дишане крайният акцептор на електроните е кислород. Стъпките, които се случват, се разделят на цикъла на Кребс и на електронната транспортна верига.

Подробното обяснение на реакциите, които се провеждат в тези биохимични пътища, ще бъдат разработени в следващия раздел.

Анехобично дишане

Крайният акцептор се състои от молекула, различна от кислорода. Количеството на АТР, генерирано от анаеробното дишане, зависи от няколко фактора, включително изследвания организъм и използвания път..

Въпреки това, производството на енергия винаги е по-голямо в аеробното дишане, тъй като цикълът на Кребс работи само частично и не всички транспортни молекули във веригата участват в дишането

Поради тази причина растежът и развитието на анаеробните индивиди са значително по-ниски от аеробиката.

Примери за анаеробни организми

В някои организми кислородът е токсичен и се нарича строг анаероб. Най-известният пример е бактерията, която причинява тетанус и ботулизъм: Clostridium.

Освен това има и други организми, които могат да се редуват между аеробно и анаеробно дишане, наричани факултативни анаероби. С други думи, те използват кислород, когато им е удобно и при отсъствието им те прибягват до анаеробно дишане. Например, добре познатата бактерия Escherichia coli има този метаболизъм.

Някои бактерии могат да използват нитратен йон (NO3-) като краен акцептор на електрони, като жанрите на Pseudomonas и бацил. Този йон може да бъде редуциран до нитритен йон, азотен оксид или азотен газ.

В други случаи крайният акцептор се състои от сулфатен йон (SO42-) което води до образуването на сероводород и използва карбонат за образуване на метан. Родът на бактериите Desulfovibrio е пример за този тип акцептори.

Този прием на електрони в нитратни и сулфатни молекули е решаващ за биогеохимичните цикли на тези съединения - азот и сяра.

процес

Гликолизата е предишен път към клетъчното дишане. Той започва с глюкозна молекула и крайният продукт е пируват, три въглеродна молекула. Гликолизата се осъществява в цитоплазмата на клетката. Тази молекула трябва да може да влезе в митохондриите, за да продължи своята деградация.

Пируватът може да дифундира чрез градиентите на концентрация в органелата, през порите на мембраната. Крайната дестинация ще бъде матрицата на митохондриите.

Преди да влезе в първата стъпка на клетъчното дишане, молекулата на пирувата претърпява някои модификации.

Първо, той реагира с молекула, наречена коензим А. Всеки пируват се разцепва в въглероден диоксид и в ацетилната група, която се свързва с коензим А, което води до образуването на ацетил коензим А комплекс..

В тази реакция два електрона и един водороден йон се прехвърлят в NADP+, което дава NADH и се катализира от ензимния комплекс пируват дехидрогеназа. Реакцията се нуждае от поредица от кофактори.

След тази модификация започват двата етапа в дишането: цикълът на Кребс и транспортната верига на електроните.

Цикълът на Кребс

Цикълът на Кребс е една от най-важните циклични реакции в биохимията. Известно е също така в литературата като цикъла на лимонената киселина или цикъла на трикарбоксилната киселина (TCA).

Името й получава в чест на своя откривател: немският биохимик Ханс Кребс. През 1953 г. Кребс получи Нобелова награда благодарение на това откритие, което бележи областта на биохимията.

Целта на цикъла е постепенното освобождаване на енергията, съдържаща се в ацетил коензим А. Тя се състои от поредица от окислителни и редукционни реакции, които предават енергия на различни молекули, главно на NAD.+.

За всяка две молекули ацетил коензим А, които влизат в цикъла, се освобождават четири молекули въглероден диоксид, генерират се шест молекули NADH и две от FADH.2. CO2 Изпуска се в атмосферата като отпадъчно вещество от процеса. Създава се и GTP.

Тъй като този път участва в анаболни (молекулярни синтези) и катаболни (молекулни разграждащи се) процеси, той се нарича "амфиболен".

Реакции на цикъла на Кребс

Цикълът започва със сливане на молекула ацетилкоензим А с молекула оксалоацетат. Този съюз води до шест въглеродни молекули: цитрат. Така се освобождава коензим А. Всъщност той се използва много пъти. Ако в клетката има много ATP, тази стъпка се инхибира.

Горната реакция се нуждае от енергия и се получава от разпадането на високоенергийната връзка между ацетилната група и коензима А.

Цитратът преминава към cis aconitato и се случва да се изоцитратира от ензима aconitasa. Следващата стъпка е превръщането на изоцитрата в алфа кетоглутарат чрез дехидрогениран изоцитрат. Този етап е уместен, защото води до намаляване на NADH и освобождава въглероден диоксид.

Алфа кетоглутаратът се превръща в сукцинил коензим А чрез алфа кетоглутарат дехидрогеназа, която използва същите кофактори като пируват киназа. В тази стъпка се генерира и NADH и като начален етап се инхибира от излишъка на АТР.

Следващият продукт е сукцинат. В своето производство настъпва образуването на GTP. Сукцинатът преминава към фумарат. Тази реакция дава FADH. Фумаратът на свой ред става малат и накрая оксалацетат.

Електронната транспортна верига

Електронната транспортна верига има за цел да вземе електрони от съединенията, генерирани в предишни стъпки, такива като NADH и FADH2, които са на високо енергийно ниво и ги водят до по-ниско енергийно ниво.

Това намаление на енергията се извършва стъпка по стъпка, т.е. не се случва рязко. Състои се от поредица от стъпки, при които се получават окислително-редукционни реакции.

Основните компоненти на веригата са комплекси, образувани от протеини и ензими, свързани с цитохроми: металопорфирини от хем тип.

Цитохромите са доста сходни по отношение на тяхната структура, въпреки че всеки един има особеност, която му позволява да изпълнява специфичната си функция във веригата, пеейки електрони с различни енергийни нива..

Преместването на електроните през дихателната верига до по-ниски нива води до отделяне на енергия. Тази енергия може да се използва в митохондриите, за да синтезира АТФ, в процес, известен като окислително фосфорилиране.

Хемозотично свързване

Дълго време механизмът на образуване на АТР във веригата е енигма, докато биохимикът Питър Митчел предложи химиосмотично свързване..

В този феномен се установява протонен градиент през вътрешната митохондриална мембрана. Енергията, съдържаща се в тази система, се освобождава и се използва за синтезиране на АТФ.

Образува се количество ATP

Както видяхме, АТФ не се формира директно в цикъла на Кребс, а в транспортната верига на електроните. За всеки два електрона, които преминават от NADH към кислород, се получава синтез на три молекули АТР. Тази оценка може да варира в зависимост от използваната литература.

По същия начин, за всеки два електрона, които преминават от FADH2, образуват се две молекули АТР.

функции

Основната функция на клетъчното дишане е генерирането на енергия под формата на АТР, за да се насочи към функциите на клетката..

И животните, и растенията изискват извличане на химическата енергия, съдържаща се в органичните молекули, които те използват като храна. В случая с зеленчуците, тези молекули са захарите, които същото растение синтезира с използването на слънчева енергия в известния фотосинтетичен процес.

Животните, от друга страна, не са в състояние да синтезират собствената си храна. Така хетеротрофите консумират храна в диетата - като нас, например. Процесът на окисление е отговорен за извличането на енергия от храната.

Не трябва да бъркаме функциите на фотосинтезата с тези на дишането. Растенията, също като животните, също дишат. И двата процеса се допълват и поддържат динамиката на живия свят.

препратки

  1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Въведение в клетъчната биология. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B.E. (2003). Биология: Живот на Земята. Образованието на Пиърсън.
  3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Къртис. биология. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C.P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2007). Интегрирани принципи на зоологията. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Физиология на животните на Екерт. Macmillan.
  6. Tortora, G. J., Funke, B. R., & Case, C.L. (2007). Въведение в микробиологията. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J.W., Lowe, J.S., Stevens, A., & Wheater, P.R. (2000). Функционална хистология: текстов и цветен атлас. Harcourt.