Proces oddychania komórkowego, rodzaje i funkcje



The oddychanie komórkowe jest to proces, który generuje energię w postaci ATP (trójfosforanu adenozyny). Następnie energia ta kierowana jest do innych procesów komórkowych. Podczas tego zjawiska cząsteczki ulegają utlenieniu, a końcowy akceptor elektronów jest w większości przypadków cząsteczką nieorganiczną.

Natura końcowego akceptora elektronów zależy od rodzaju oddychania badanego organizmu. W aerobach - jak Homo sapiens - końcowym akceptorem elektronów jest tlen. W przeciwieństwie do osób z oddychaniem beztlenowym, tlen może być toksyczny. W tym ostatnim przypadku końcowym akceptorem jest cząsteczka nieorganiczna różna od tlenu.

Oddychanie tlenowe zostało szeroko zbadane przez biochemików i składa się z dwóch etapów: cyklu Krebsa i łańcucha transportu elektronów.

W organizmach eukariotycznych cała maszyna niezbędna do oddychania znajduje się w mitochondriach, zarówno w macierzy mitochondrialnej, jak iw systemie błonowym tej organelli..

Maszyna składa się z enzymów, które katalizują reakcje procesu. Linia prokariotyczna charakteryzuje się brakiem organelli; Z tego powodu oddychanie występuje w określonych obszarach błony plazmatycznej, które symulują środowisko bardzo podobne do mitochondriów..

Indeks

  • 1 Terminologia
  • 2 Gdzie następuje oddychanie komórkowe??
    • 2.1 Lokalizacja oddychania u eukariontów
    • 2.2 Liczba mitochondriów
    • 2.3 Lokalizacja oddychania prokariotycznego
  • 3 typy
    • 3.1 Oddychanie tlenowe
    • 3.2 Oddychanie anergiczne
    • 3.3 Przykłady organizmów beztlenowych
  • 4 Proces
    • 4.1 Cykl Krebsa
    • 4.2 Reakcje cyklu Krebsa
    • 4.3 Łańcuch transportu elektronów
    • 4.4 Sprzężenie chemosmotyczne
    • 4.5 Ilość utworzonego ATP
  • 5 funkcji
  • 6 referencji

Terminologia

W dziedzinie fizjologii termin „oddychanie” ma dwie definicje: oddychanie płucne i oddychanie komórkowe. Kiedy używamy słowa oddychanie w życiu codziennym, odnosimy się do pierwszego typu.

Oddychanie płuc obejmuje działanie inspirujące i wygasające, proces ten powoduje wymianę gazów: tlenu i dwutlenku węgla. Prawidłowe określenie tego zjawiska to „wentylacja”.

W przeciwieństwie do tego, oddychanie komórkowe zachodzi - jak sama nazwa wskazuje - w komórkach i jest procesem odpowiedzialnym za wytwarzanie energii poprzez łańcuch transportu elektronów. Ten ostatni proces zostanie omówiony w tym artykule.

Gdzie dochodzi do oddychania komórkowego??

Lokalizacja oddychania u eukariontów

Oddychanie komórkowe odbywa się w złożonej organelli zwanej mitochondriami. Strukturalnie mitochondria mają 1,5 mikrometra szerokości i 2 do 8 długości. Charakteryzują się posiadaniem własnego materiału genetycznego i dzieleniem przez rozszczepienie binarne - szczątkowe cechy ich endosymbiotycznego pochodzenia.

Mają dwie membrany, jedną gładką i jedną wewnętrzną z fałdami, które tworzą grzbiety. Im bardziej aktywne są mitochondria, tym więcej ma grzebieni.

Wnętrze mitochondriów nazywane jest macierzą mitochondrialną. W tym przedziale znajdują się enzymy, koenzymy, woda i fosforany niezbędne do reakcji oddechowych.

Zewnętrzna membrana umożliwia przejście większości małych cząsteczek. Jednak wewnętrzna membrana jest tą, która faktycznie ogranicza przejście przez bardzo specyficzne transportery. Przepuszczalność tej struktury odgrywa zasadniczą rolę w produkcji ATP.

Liczba mitochondriów

Enzymy i inne składniki niezbędne do oddychania komórkowego są zakotwiczone w błonach i wolne w macierzy mitochondrialnej.

Dlatego komórki, które wymagają większej ilości energii, charakteryzują się dużą liczbą mitochondriów, w przeciwieństwie do komórek, których zapotrzebowanie na energię jest niższe.

Na przykład komórki wątroby mają średnio 2500 mitochondriów, podczas gdy komórka mięśniowa (bardzo aktywna metabolicznie) zawiera znacznie większą liczbę, a mitochondria tego typu komórek są większe.

Ponadto są one zlokalizowane w określonych regionach, w których wymagana jest energia, na przykład otaczających flagellę plemników.

Lokalizacja oddychania prokariotycznego

Logicznie rzecz biorąc, organizmy prokariotyczne muszą oddychać, a te nie mają mitochondriów - ani złożonych organelli charakterystycznych dla eukariontów. Z tego powodu proces oddechowy zachodzi w małych incydentach błony komórkowej, analogicznie do mitochondriów..

Typy

Istnieją dwa podstawowe typy oddychania, w zależności od cząsteczki, która działała jako ostateczny akceptor elektronów. W oddychaniu tlenowym akceptorem jest tlen, aw oddychaniu beztlenowym cząsteczka nieorganiczna - choć w niektórych rzadkich przypadkach akceptor jest cząsteczką organiczną. Następnie opiszemy szczegółowo każdy z nich:

Oddychanie tlenowe

W organizmach z oddychaniem tlenowym ostatecznym akceptorem elektronów jest tlen. Kroki, które występują, dzielą się na cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów.

Szczegółowe wyjaśnienie reakcji zachodzących w tych szlakach biochemicznych zostanie opracowane w następnej sekcji.

Oddech bezechowy

Ostateczny akceptor składa się z cząsteczki innej niż tlen. Ilość ATP generowanego przez oddychanie beztlenowe zależy od kilku czynników, w tym badanego organizmu i stosowanej drogi..

Jednak wytwarzanie energii jest zawsze większe w oddychaniu tlenowym, ponieważ cykl Krebsa działa tylko częściowo i nie wszystkie cząsteczki transportera w łańcuchu uczestniczą w oddychaniu

Z tego powodu wzrost i rozwój osób beztlenowych jest znacznie niższy niż aerobik.

Przykłady organizmów beztlenowych

W niektórych organizmach tlen jest toksyczny i nazywany jest surowymi beztlenowcami. Najbardziej znanym przykładem jest bakteria powodująca tężec i botulizm: Clostridium.

Ponadto istnieją inne organizmy, które mogą na przemian oddychać tlenowo i beztlenowo, nazywane beztlenowcami fakultatywnymi. Innymi słowy, używają tlenu, gdy im to odpowiada, a przy jego braku uciekają się do oddychania beztlenowego. Na przykład dobrze znana bakteria Escherichia coli ma ten metabolizm.

Niektóre bakterie mogą używać jonów azotanowych (NO3-) jako ostateczny akceptor elektronów, taki jak gatunki Pseudomonas i Bacillus. Jon ten można zredukować do jonu azotynowego, podtlenku azotu lub azotu.

W innych przypadkach ostateczny akceptor składa się z jonu siarczanowego (SO42-), który powoduje powstanie siarkowodoru i który wykorzystuje węglan do tworzenia metanu. Rodzaj bakterii Desulfovibrio jest przykładem tego typu akceptora.

Ten odbiór elektronów w cząsteczkach azotanów i siarczanów ma kluczowe znaczenie w cyklach biogeochemicznych tych związków - azotu i siarki.

Proces

Glikoliza to poprzednia droga do oddychania komórkowego. Zaczyna się od cząsteczki glukozy, a produktem końcowym jest pirogronian, cząsteczka trójwęglowa. Glikoliza odbywa się w cytoplazmie komórki. Ta cząsteczka musi być w stanie wejść do mitochondriów, aby kontynuować degradację.

Pirogronian może dyfundować przez gradienty stężenia do organelli, przez pory membrany. Ostatecznym miejscem docelowym będzie matryca mitochondriów.

Przed wejściem w pierwszy etap oddychania komórkowego cząsteczka pirogronianu ulega pewnym modyfikacjom.

Po pierwsze, reaguje z cząsteczką zwaną koenzymem A. Każdy pirogronian jest rozszczepiany na dwutlenek węgla i do grupy acetylowej, która wiąże się z koenzymem A, tworząc kompleks acetylokoenzymu A..

W tej reakcji dwa elektrony i jeden jon wodoru są przenoszone do NADP+, uzyskując NADH i jest katalizowany przez enzymatyczną kompleksową dehydrogenazę pirogronianową. Reakcja wymaga szeregu kofaktorów.

Po tej modyfikacji rozpoczynają się dwa etapy oddychania: cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów.

Cykl Krebsa

Cykl Krebsa jest jedną z najważniejszych reakcji cyklicznych w biochemii. Znany jest również w literaturze jako cykl kwasu cytrynowego lub cykl kwasu trikarboksylowego (TCA).

Swoją nazwę otrzymuje na cześć swojego odkrywcy: niemieckiego biochemika Hansa Krebsa. W 1953 roku Krebs otrzymał Nagrodę Nobla dzięki odkryciu, które wyznaczyło dziedzinę biochemii.

Celem cyklu jest stopniowe uwalnianie energii zawartej w acetylokoenzymie A. Składa się z serii reakcji utleniania i redukcji, które przenoszą energię do różnych cząsteczek, głównie do NAD+.

Na każde dwie cząsteczki acetylokoenzymu A, które wchodzą w cykl, uwalniane są cztery cząsteczki dwutlenku węgla, generowanych jest sześć cząsteczek NADH i dwa FADH2. CO2 Jest uwalniany do atmosfery jako substancja odpadowa procesu. Generowany jest również GTP.

Ponieważ szlak ten uczestniczy zarówno w procesach anabolicznych (synteza cząsteczek), jak i katabolicznych (degradacja cząsteczek), nazywany jest „amfibolą”.

Reakcje cyklu Krebsa

Cykl rozpoczyna się od fuzji cząsteczki acetylokoenzymu A z cząsteczką szczawiooctanu. W wyniku tego powstaje cząsteczka sześciowęglowa: cytrynian. W ten sposób uwalniany jest koenzym A. W rzeczywistości jest on wielokrotnie wykorzystywany. Jeśli w komórce jest dużo ATP, ten krok jest wstrzymany.

Powyższa reakcja wymaga energii i jest uzyskiwana z rozpadu wiązania wysokoenergetycznego między grupą acetylową a koenzymem A.

Cytrynian przechodzi do cis aconitato i dzieje się z isocitrato przez enzym aconitasa. Następnym etapem jest konwersja izocytrynianu do alfa ketoglutaranu przez odwodorniony izocytrynian. Ten etap jest istotny, ponieważ prowadzi do redukcji NADH i uwalnia dwutlenek węgla.

Alfa ketoglutaran jest przekształcany w sukcynylo-koenzym A przez dehydrogenazę alfa-ketoglutaranu, która wykorzystuje ten sam kofaktor co kinaza pirogronianowa. W tym etapie generowany jest również NADH i jako początkowy etap jest on hamowany przez nadmiar ATP.

Następnym produktem jest bursztynian. W jego produkcji powstaje GTP. Bursztynian przechodzi do fumaranu. Ta reakcja daje FADH. Z kolei fumaran staje się jabłczanem i wreszcie szczawiooctanem.

Łańcuch transportu elektronów

Łańcuch transportu elektronów ma na celu pobieranie elektronów ze związków wytworzonych w poprzednich etapach, takich jak NADH i FADH2, które są na wysokim poziomie energii i prowadzą je do niższego poziomu energii.

Ten spadek energii odbywa się krok po kroku, to znaczy nie dzieje się to nagle. Składa się z szeregu kroków, w których zachodzą reakcje redukcji utleniania.

Głównymi składnikami łańcucha są kompleksy utworzone przez białka i enzymy sprzężone z cytochromami: metaloporfiryny typu hemu.

Cytochromy są dość podobne pod względem struktury, chociaż każdy z nich ma szczególną właściwość, która pozwala mu wykonywać swoją specyficzną funkcję w łańcuchu, śpiewając elektrony na różnych poziomach energii..

Przemieszczenie elektronów przez łańcuch oddechowy do niższych poziomów powoduje uwolnienie energii. Energia ta może być wykorzystana w mitochondriach do syntezy ATP w procesie znanym jako fosforylacja oksydacyjna.

Chemosmotyczne sprzężenie

Przez długi czas mechanizm tworzenia ATP w łańcuchu był zagadką, dopóki biochemik Peter Mitchell nie zaproponował sprzężenia chemotycznego.

W tym zjawisku gradient protonu jest ustalany przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. Energia zawarta w tym systemie jest uwalniana i wykorzystywana do syntezy ATP.

Ilość utworzonego ATP

Jak widzieliśmy, ATP nie tworzy się bezpośrednio w cyklu Krebsa, ale w łańcuchu transportu elektronów. Na każde dwa elektrony przechodzące z NADH do tlenu dochodzi do syntezy trzech cząsteczek ATP. To oszacowanie może się nieco różnić w zależności od literatury, z którą się konsultujemy.

Podobnie, na każde dwa elektrony, które przechodzą z FADH2, tworzą się dwie cząsteczki ATP.

Funkcje

Główną funkcją oddychania komórkowego jest wytwarzanie energii w postaci ATP w celu skierowania jej do funkcji komórki.

Zarówno zwierzęta, jak i rośliny wymagają ekstrakcji energii chemicznej zawartej w molekułach organicznych, których używają jako pożywienie. W przypadku warzyw cząsteczki te są cukrami syntetyzowanymi przez tę samą roślinę z wykorzystaniem energii słonecznej w słynnym procesie fotosyntezy.

Z drugiej strony zwierzęta nie są w stanie syntetyzować własnego pożywienia. Zatem heterotrofy spożywają pokarm w diecie - jak na przykład my. Proces utleniania jest odpowiedzialny za wydobywanie energii z żywności.

Nie wolno mylić funkcji fotosyntezy z funkcjami oddychania. Rośliny, podobnie jak zwierzęta, również oddychają. Oba procesy uzupełniają się i utrzymują dynamikę żywego świata.

Referencje

  1. Alberts, B. i Bray, D. (2006). Wprowadzenie do biologii komórki. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G. i Byers, B. E. (2003). Biologia: Życie na Ziemi. Edukacja Pearson.
  3. Curtis, H. i Schnek, A. (2008). Curtis. Biologia. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C. P., Roberts, L. S., Larson, A., Ober, W. C., i Garrison, C. (2007). Zintegrowane zasady zoologii. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., francuski, K., i Eckert, R. (2002). Fizjologia zwierząt Eckert. Macmillan.
  6. Tortora, G. J., Funke, B. R. i Case, C. L. (2007). Wprowadzenie do mikrobiologii. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J.W., Lowe, J.S., Stevens, A. i Wheater, P.R. (2000). Histologia funkcjonalna: tekst i atlas kolorów. Harcourt.