Ląstelių kvėpavimo procesas, tipai ir funkcijos



The ląstelių kvėpavimas tai procesas, kuris generuoja energiją ATP (adenozino trifosfatas) pavidalu. Vėliau ši energija nukreipiama į kitus ląstelių procesus. Šio reiškinio metu molekulės oksiduojasi, o galutinis elektronų priėmėjas daugeliu atvejų yra neorganinė molekulė..

Galutinio elektronų priėmėjo pobūdis priklauso nuo tiriamo organizmo kvėpavimo tipo. Aerobuose - kaip Homo sapiens - galutinis elektronų priėmėjas yra deguonis. Priešingai, asmenims, turintiems anaerobinį kvėpavimą, deguonis gali būti toksiškas. Paskutiniu atveju galutinis akceptorius yra neorganinė molekulė, kuri skiriasi nuo deguonies.

Aerobinį kvėpavimą plačiai ištyrė biochemikai ir sudaro du etapai: Krebso ciklas ir elektronų transportavimo grandinė.

Eukariotiniuose organizmuose visi kvėpavimui reikalingi mechanizmai yra mitochondrijose, tiek mitochondrijų matricoje, tiek šio organelio membraninėje sistemoje..

Mašiną sudaro fermentai, kurie katalizuoja proceso reakcijas. Prokariotinė linija pasižymi organelių nebuvimu; Dėl šios priežasties kvėpavimas vyksta tam tikruose plazmos membranos regionuose, kurie imituoja aplinką, labai panašią į mitochondrijų aplinką..

Indeksas

  • 1 Terminologija
  • 2 Kur atsiranda ląstelių kvėpavimas??
    • 2.1 Kvėpavimo vieta eukariotuose
    • 2.2 Mitochondrijų skaičius
    • 2.3 Prokariotinio kvėpavimo vieta
  • 3 tipai
    • 3.1 Aerobinis kvėpavimas
    • 3.2 Anerbinis kvėpavimas
    • 3.3 Anaerobinių organizmų pavyzdžiai
  • 4 Procesas
    • 4.1 Krebso ciklas
    • 4.2 Krebso ciklo reakcijos
    • 4.3 Elektronų transportavimo grandinė
    • 4.4 Chemosmotinė jungtis
    • 4.5 Sudarytas ATP kiekis
  • 5 Funkcijos
  • 6 Nuorodos

Terminologija

Fiziologijos srityje sąvoka "kvėpavimas" turi du apibrėžimus: plaučių kvėpavimą ir ląstelių kvėpavimą. Kai mes naudojame žodį kvėpavimas kasdieniame gyvenime, mes kalbame apie pirmąjį tipą.

Plaučių kvėpavimas apima įkvepiantį ir pasibaigiantį procesą, dėl kurio keičiasi dujos: deguonis ir anglies dioksidas. Teisingas šio reiškinio terminas yra „vėdinimas“.

Priešingai, ląstelių kvėpavimas vyksta - kaip rodo pavadinimas - ląstelių viduje ir yra procesas, atsakingas už energijos generavimą per elektronų transportavimo grandinę. Šis paskutinis procesas bus aptartas šiame straipsnyje.

Kur atsiranda ląstelių kvėpavimas??

Kvėpavimo vieta eukariotuose

Ląstelių kvėpavimas vyksta kompleksiniame organelėje, vadinamoje mitochondrija. Struktūriškai mitochondrija yra 1,5 mikrometro pločio ir nuo 2 iki 8 ilgių. Jiems būdinga jų pačių genetinė medžiaga ir dalijimasis dvejetainiu dalijimu - jų endosymbiotinės kilmės požymiais..

Jie turi dvi membranas, viena lygi ir viena vidinė, su raukšlėmis, kurios sudaro griovelius. Kuo aktyviau veikia mitochondrija, tuo daugiau žiedų.

Mitochondrijos interjeras vadinamas mitochondrijų matrica. Šiame skyriuje yra fermentai, koenzimai, vanduo ir fosfatai, reikalingi kvėpavimo takų reakcijoms.

Išorinė membrana leidžia praeiti daugeliui mažų molekulių. Tačiau vidinė membrana yra ta, kuri iš tikrųjų riboja perėjimą per labai specifinius vežėjus. Šios struktūros pralaidumas vaidina esminį vaidmenį gaminant ATP.

Mitochondrijų skaičius

Fermentai ir kiti elementai, būtini ląstelių kvėpavimui, yra surišti į membranas ir laisvi mitochondrijų matricoje..

Todėl ląstelės, kurioms reikalingas didesnis energijos kiekis, pasižymi dideliu mitochondrijų skaičiumi, priešingai nei ląstelės, kurių energijos poreikis mažesnis.

Pavyzdžiui, kepenų ląstelėse vidutiniškai yra 2500 mitochondrijų, o raumenų ląstelėje (labai metaboliškai aktyvus) yra daug didesnis skaičius, o šios ląstelės tipo mitochondrijos yra didesnės.

Be to, jie yra tam tikruose regionuose, kur reikalinga energija, pavyzdžiui, aplink spermos vėliavą.

Prokariotinio kvėpavimo vieta

Logiškai matyti, kad prokariotiniai organizmai turi kvėpuoti ir jie neturi mitochondrijų - ir sudėtingų eukariotų būdingų organelių. Dėl šios priežasties kvėpavimo procesas vyksta mažose plazmos membranos invaginacijose, analogiškai mitochondrijoms..

Tipai

Yra du pagrindiniai kvėpavimo tipai, priklausomai nuo molekulės, veikiančios kaip galutinis elektronų priėmėjas. Aerobiniame kvėpavime akceptorius yra deguonis, o anaerobiniame kvėpavime jis yra neorganinė molekulė - nors kai kuriais retais atvejais akceptorius yra organinė molekulė. Toliau išsamiai aprašysime kiekvieną:

Aerobinis kvėpavimas

Aerobinio kvėpavimo organizmuose galutinis elektronų priėmėjas yra deguonis. Įvykę žingsniai yra suskirstyti į Krebso ciklą ir elektronų transportavimo grandinę.

Išsamus šių biocheminių būdų reakcijų paaiškinimas bus pateiktas sekančiame skyriuje.

Anechobinis kvėpavimas

Galutinis akceptorius susideda iš kitos nei deguonies molekulės. Anaerobiniu kvėpavimu sukurtas ATP kiekis priklauso nuo kelių veiksnių, įskaitant tyrimo organizmą ir naudojamą maršrutą..

Tačiau aerobinio kvėpavimo metu energijos gamyba visada yra didesnė, nes Krebso ciklas veikia tik iš dalies, o ne visos grandinės transporterių molekulės kvėpuoja

Dėl šios priežasties anaerobinių asmenų augimas ir vystymasis yra žymiai mažesnis nei aerobika.

Anaerobinių organizmų pavyzdžiai

Kai kuriuose organizmuose deguonis yra toksiškas ir vadinamas griežtais anaerobais. Geriausiai žinomas pavyzdys yra stabligės ir botulizmo sukelianti bakterija: Clostridium.

Be to, yra ir kitų organizmų, kurie gali pakeisti aerobinį ir anaerobinį kvėpavimą, vadinamus fakultatyviniais anaerobais. Kitaip tariant, jie naudoja deguonį, kai jie tinka, ir nesant jos naudojasi anaerobiniu kvėpavimu. Pavyzdžiui, gerai žinoma bakterija Escherichia coli turi šį metabolizmą.

Kai kurios bakterijos gali naudoti nitrato joną (NO3-) kaip galutinis elektronų priėmėjas, pvz. \ t Pseudomonas ir Bacillus. Šis jonas gali būti sumažintas iki nitrito jonų, azoto oksido arba azoto.

Kitais atvejais galutinis akceptorius susideda iš sulfato jonų (SO42-), kuris sukelia vandenilio sulfidą ir naudoja karbonatą, kad susidarytų metanas. Bakterijų gentis Desulfovibrio yra tokio tipo akcininko pavyzdys.

Šis elektronų priėmimas nitratų ir sulfato molekulėse yra svarbus šių junginių - azoto ir sieros - biogeocheminiuose cikluose..

Procesas

Glikolizė yra ankstesnis ląstelių kvėpavimo būdas. Jis prasideda nuo gliukozės molekulės ir galutinis produktas yra piruvatas, trijų anglies molekulių. Glikolizė vyksta ląstelės citoplazmoje. Ši molekulė turi būti pajėgi patekti į mitochondrijus, kad galėtų toliau degraduoti.

Piruvatas gali per difuzines koncentracijas pasklisti į organelę per membranos poras. Galutinė paskirties vieta bus mitochondrijų matrica.

Prieš įvedant pirmuosius ląstelių kvėpavimo etapus, piruvato molekulė atlieka tam tikrus pakeitimus.

Pirma, ji reaguoja su molekule, vadinama koenzimu A. Kiekvienas piruvatas skaldomas į anglies dioksidą ir į acetilo grupę, kuri jungiasi prie koenzimo A ir sukelia acetilo koenzimo A kompleksą..

Šioje reakcijoje į NADP perkeliami du elektronai ir vienas vandenilio jonas+, gaunamas NADH ir katalizuojamas fermento komplekso piruvato dehidrogenazės. Reakcijai reikia serijos kofaktorių.

Po šio pakeitimo prasideda du kvėpavimo etapai: Krebso ciklas ir elektronų transportavimo grandinė.

Krebso ciklas

Krebso ciklas yra viena iš svarbiausių ciklinių reakcijų biochemijoje. Literatūroje taip pat žinomas kaip citrinų rūgšties ciklas arba trikarboksirūgšties ciklas (TCA)..

Jis gauna savo pavadinimą garbei savo atradėju: Vokietijos biochemikas Hans Krebs. 1953 m. Krebsas buvo apdovanotas Nobelio premija dėl šio biochemijos srities atradimo.

Ciklo tikslas yra laipsniškas acetilo koenzimame A esančios energijos išleidimas. Jis susideda iš oksidacijos ir redukcijos reakcijų, perkeliančių energiją į įvairias molekules, daugiausia į NAD.+.

Kiekvienai iš dviejų ciklų acetilo koenzimo A, kurie patenka į ciklą, išsiskiria keturios anglies dioksido molekulės, sukuriamos šešios NADH molekulės ir dvi FADH.2. CO2 Jis išleidžiamas į atmosferą kaip proceso atliekos. Taip pat sukuriamas GTP.

Kadangi šis kelias dalyvauja anaboliniuose (molekulių sintezės) ir kataboliniuose (molekulių degradacijos) procesuose, jis vadinamas „amfiboliu“..

Krebso ciklo reakcijos

Ciklas prasideda acetilkoenzimo A molekulės sujungimu su oksaloacetato molekule. Dėl šios sąjungos atsiranda šešių anglies molekulių: citrato. Taigi, atleidžiamas koenzimas A. Iš tiesų, jis pakartotinai naudojamas daug kartų. Jei ląstelėje yra daug ATP, šis žingsnis yra slopinamas.

Pirmiau minėta reakcija turi energiją ir gaunama išardant didelės energijos ryšį tarp acetilo grupės ir koenzimo A.

Citratas patenka į cis aconitato, o fermentas aconitasa atsitinka su izocitratu. Kitas žingsnis yra izocitrato konversija į alfa ketoglutaratą dehidrogeniniu izocitratu. Šis etapas yra svarbus, nes dėl to sumažėja NADH ir išskiriamas anglies dioksidas.

Alfa ketoglutaratas paverčiamas sukcinilo koenzimu A alfa-ketoglutarato dehidrogenaze, kuri naudoja tuos pačius kofaktorius kaip piruvato kinazė. Šiame etape taip pat sukuriamas NADH ir, kaip pradinis žingsnis, jį slopina ATP perteklius.

Kitas produktas yra sukcinatas. Gaminant atsiranda GTP susidarymas. Sukcinatas patenka į fumaratą. Ši reakcija duoda FADH. Fumaratas, savo ruožtu, tampa malatu ir galiausiai oksalacetatu.

Elektronų transportavimo grandinė

Elektronų transportavimo grandinės tikslas - priimti elektronus iš junginių, gautų ankstesnėse pakopose, pavyzdžiui, NADH ir FADH2, kurie yra aukšto lygio energijos lygmenyje ir veda juos į žemesnį energijos lygį.

Šis energijos sumažėjimas vyksta žingsnis po žingsnio, tai yra, jis nevyksta staiga. Jis susideda iš daugelio žingsnių, kai vyksta oksidacijos-redukcijos reakcijos.

Pagrindinės grandinės sudedamosios dalys yra kompleksai, kuriuos sudaro baltymai ir fermentai, susieti su citochromais..

Citochromai yra gana panašūs savo struktūros požiūriu, nors kiekvienas turi specifiškumą, leidžiantį atlikti savo specifinę funkciją grandinėje, dainuodamas elektronus skirtingais energijos lygiais..

Elektronų pasislinkimas per kvėpavimo grandinę į žemesnį lygį sukuria energijos išsiskyrimą. Ši energija gali būti naudojama mitochondrijose ATP sintezei, žinoma kaip oksidacinis fosforilinimas.

Chemosmotinė jungtis

Ilgą laiką ATP formavimo mechanizmas grandinėje buvo mįslė, kol biochemikas Peteris Mitchellas pasiūlė chemosmotinę sukabinimą..

Šiame reiškinyje protonų gradientas nustatomas per vidinę mitochondrijų membraną. Šioje sistemoje esanti energija išleidžiama ir naudojama ATP sintezei.

Sudarytas ATP kiekis

Kaip matėme, ATP nėra tiesiogiai Krebso cikle, o elektronų transportavimo grandinėje. Kiekvienam dviem elektronams, kurie pereina iš NADH į deguonį, atsiranda trijų ATP molekulių sintezė. Šis įvertinimas gali šiek tiek skirtis priklausomai nuo literatūros, su kuria buvo konsultuojamasi.

Panašiai kiekvienam dviem elektronams, kurie praeina iš FADH2, susidaro dvi ATP molekulės.

Funkcijos

Pagrindinė ląstelių kvėpavimo funkcija yra energijos generavimas ATP forma, siekiant nukreipti jį į ląstelės funkcijas..

Tiek gyvūnams, tiek augalams reikia išgauti cheminę energiją, esančią organinėse molekulėse, kurias jie naudoja kaip maistą. Daržovių atveju šios molekulės yra cukrus, kurį tas pats augalas sintezuoja naudodamas saulės energiją garsiojoje fotosintezės procese..

Kita vertus, gyvūnai negali sintezuoti savo maisto. Taigi, heterotrofai maitina maistą, pavyzdžiui, kaip ir mes. Oksidacijos procesas yra atsakingas už energijos išgavimą iš maisto.

Negalime painioti fotosintezės funkcijų su kvėpavimo funkcijomis. Augalai, kaip ir gyvūnai, taip pat kvėpuoja. Abu procesai papildo ir palaiko gyvojo pasaulio dinamiką.

Nuorodos

  1. Alberts, B., ir Bray, D. (2006). Įvadas į ląstelių biologiją. Red. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., ir Byers, B. E. (2003). Biologija: Gyvenimas Žemėje. Pearsono švietimas.
  3. Curtis, H., ir Schnek, A. (2008). Curtis. Biologija. Red. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C. P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C. & Garrison, C. (2007). Integruoti zoologijos principai. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., French, K., ir Eckert, R. (2002). Eckert gyvūnų fiziologija. Macmillan.
  6. Tortora, G. J., Funke, B. R. ir Case, C. L. (2007). Įvadas į mikrobiologiją. Red. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J. W., Lowe, J.S., Stevens, A., & Wheater, P.R.. Funkcinė histologija: teksto ir spalvų atlasas. Harcourt.