Процес клітинного дихання, типи і функції



The клітинне дихання це процес, який генерує енергію у вигляді АТФ (аденозинтрифосфат). Згодом ця енергія спрямовується до інших клітинних процесів. Під час цього явища молекули окислюються і кінцевий акцептор електронів є, в більшості випадків, неорганічною молекулою..

Характер кінцевого акцептора електронів залежить від типу дихання досліджуваного організму. У аеробів - подібно до Homo sapiens - кінцевим акцептором електронів є кисень. Навпаки, для осіб з анаеробним диханням кисень може бути токсичним. У цьому останньому випадку кінцевим акцептором є неорганічна молекула, відмінна від кисню.

Аеробне дихання було широко вивчене біохіміками і складається з двох етапів: циклу Кребса і ланцюга переносу електронів.

У еукаріотичних організмах вся техніка, необхідна для дихання, відбувається всередині мітохондрій, як в мітохондріальній матриці, так і в мембранній системі цієї органели..

Машина складається з ферментів, які каталізують реакції процесу. Прокаріотична лінія характеризується відсутністю органел; З цієї причини дихання відбувається в конкретних областях плазматичної мембрани, що імітує середовище, дуже схоже з середовищем мітохондрій..

Індекс

  • 1 Термінологія
  • 2 Де відбувається клітинне дихання??
    • 2.1 Місце дихання у еукаріотів
    • 2.2 Кількість мітохондрій
    • 2.3 Розташування прокаріотичного дихання
  • 3 типи
    • 3.1 Аеробне дихання
    • 3.2. Анербічне дихання
    • 3.3 Приклади анаеробних організмів
  • 4 Процес
    • 4.1 Цикл Кребса
    • 4.2 Реакції циклу Кребса
    • 4.3 Електронний транспортний ланцюг
    • 4.4
    • 4.5 Кількість утвореного АТФ
  • 5 Функції
  • 6 Посилання

Термінологія

В області фізіології термін «дихання» має два визначення: легеневе дихання і клітинне дихання. Коли ми використовуємо слово «дихання» у повсякденному житті, ми називаємо перший тип.

Легеневе дихання передбачає дію надихання і закінчується, при цьому процес призводить до обміну газами: киснем і діоксидом вуглецю. Правильний термін для цього явища - "вентиляція".

Навпаки, клітинне дихання відбувається - як випливає з назви - всередині клітин і є процесом, що відповідає за генерування енергії через ланцюжок транспортування електронів. Цей останній процес буде розглянуто в цій статті.

Де відбувається клітинне дихання??

Місце дихання у еукаріотів

Клітинне дихання відбувається в складних органелах, які називаються мітохондріями. Структурно мітохондрії мають ширину 1,5 мікрометра і від 2 до 8 довгих. Вони характеризуються наявністю власного генетичного матеріалу та діленням на бінарне поділ - рудиментарні характеристики їх ендосимбіотичного походження.

Вони мають дві мембрани, одну гладку і одну внутрішню зі складками, які утворюють гребені. Чим більш активними є мітохондрії, тим більше у них гребенів.

Інтер'єр мітохондрій називається мітохондріальною матрицею. У цьому відсіку знаходяться ферменти, коферменти, вода і фосфати, необхідні для дихальних реакцій.

Зовнішня мембрана дозволяє проходити більшість малих молекул. Однак внутрішня мембрана є такою, яка фактично обмежує проходження через дуже специфічні транспортери. Проникність цієї структури грає фундаментальну роль у виробництві АТФ.

Кількість мітохондрій

Ферменти та інші компоненти, необхідні для клітинного дихання, знаходяться на мембранах і вільні в мітохондріальній матриці.

Отже, клітини, які потребують більшої кількості енергії, характеризуються наявністю великої кількості мітохондрій, на відміну від клітин, у яких потреба в енергії нижче.

Наприклад, клітини печінки мають, в середньому, 2500 мітохондрій, в той час як м'язова клітина (дуже метаболічно активна) містить набагато більшу кількість, а мітохондрії цього типу клітини більші..

Крім того, вони знаходяться в конкретних регіонах, де потрібна енергія, наприклад, оточує прапорець сперми.

Місце прокаріотичного дихання

Логічно, що прокаріотним організмам потрібно дихати, а в них немає мітохондрій - ні складних органел, характерних для еукаріотів. З цієї причини дихальний процес відбувається в малих інвагінаціях плазматичної мембрани, аналогічно мітохондріям..

Типи

Існують два основних типи дихання, залежно від молекули, яка діяла як кінцевий акцептор електронів. При аеробному диханні акцептором є кисень, а в анаеробному диханні - неорганічна молекула - хоча в деяких рідкісних випадках акцептор є органічною молекулою. Далі ми детально опишемо кожну з них:

Аеробне дихання

У організмах з аеробним диханням кінцевим акцептором електронів є кисень. Кроки, які відбуваються, поділяються на цикл Кребса і ланцюжок транспортування електронів.

Детальний опис реакцій, що відбуваються в цих біохімічних шляхах, буде розроблено у наступному розділі.

Анехобічне дихання

Кінцевий акцептор складається з молекули, відмінної від кисню. Кількість АТФ, що генерується анаеробним диханням, залежить від декількох факторів, включаючи досліджуваний організм і використовуваний маршрут..

Однак виробництво енергії завжди більше в аеробному диханні, оскільки цикл Кребса працює лише частково і не всі молекули транспортера в ланцюзі беруть участь у диханні

З цієї причини ріст і розвиток анаеробних особин значно нижче, ніж аеробіка.

Приклади анаеробних організмів

У деяких організмах кисень токсичний і називається суворими анаеробами. Найвідомішим прикладом є бактерія, яка викликає правцевий і ботулізм: Клостридій.

Крім того, існують інші організми, які можуть чергуватися між аеробним і анаеробним диханням, називаючись факультативними анаеробами. Іншими словами, вони використовують кисень, коли їм це підходить, і за відсутності цього вони вдаються до анаеробного дихання. Наприклад, відома бактерія Escherichia coli має цей метаболізм.

Деякі бактерії можуть використовувати нітратний іон (NO3-) як кінцевий акцептор електронів, наприклад жанрів Росії Pseudomonas і Bacillus. Цей іон може бути зведений до нітритного іона, закису азоту або газу азоту.

В інших випадках кінцевий акцептор складається з сульфатного іона (SO42-), що породжує сірководень і використовує карбонат для утворення метану. Рід бактерій Desulfovibrio є прикладом такого типу акцептора.

Цей прийом електронів в нітратних і сульфатних молекулах має вирішальне значення в біогеохімічних циклах цих сполук - азоту і сірки.

Процес

Гліколіз - це попередній шлях до клітинного дихання. Вона починається з молекули глюкози, а кінцевий продукт - це піруват, молекула з трьома вуглецю. Гліколіз має місце в цитоплазмі клітини. Ця молекула повинна бути здатна входити в мітохондрії для продовження її деградації.

Піруват може дифундувати за градієнтами концентрації в органелі, через пори мембрани. Кінцевим пунктом призначення буде матриця мітохондрій.

Перед входом на перший етап клітинного дихання молекула пірувату зазнає певних модифікацій.

По-перше, він реагує з молекулою, що називається коферментом А. Кожен піруват розщеплюється в діоксид вуглецю і в ацетильну групу, яка зв'язується з коферментом А, даючи комплекс ацетил-коферменту А..

У цій реакції в NADP переносяться два електрони і один іон водню+, що дає NADH і каталізується ферментативним комплексом піруватдегідрогенази. Реакція потребує серії кофакторів.

Після цієї модифікації починаються два етапи дихання: цикл Кребса і ланцюг транспортування електронів.

Цикл Кребса

Цикл Кребса є однією з найважливіших циклічних реакцій в біохімії. Він також відомий в літературі як цикл лимонної кислоти або цикл трикарбонових кислот (TCA).

Свою назву вона отримує на честь свого першовідкривача: німецького біохіміка Ганса Кребса. У 1953 році Кребс був удостоєний Нобелівської премії завдяки цьому відкриттю, що ознаменувала сферу біохімії.

Метою циклу є поступове вивільнення енергії, що міститься в ацетилкоферменті А. Він складається з серії окислювальних і відновних реакцій, які передають енергію різним молекулам, головним чином NAD.+.

Для кожних двох молекул ацетил-коферменту А, що входять до циклу, вивільняються чотири молекули діоксиду вуглецю, генеруються шість молекул NADH і два FADH.2. CO2 Вона виділяється в атмосферу як відпрацьована речовина процесу. Також генерується GTP.

Оскільки цей шлях бере участь в анаболічних (молекулярний синтез) і катаболічних (молекулах деградації) процесах, його називають "амфіболічним".

Реакції циклу Кребса

Цикл починається з злиття молекули ацетил-коферменту А з молекулою оксалоацетату. Цей союз призводить до шестикарбонової молекули: цитрат. Таким чином, кофермент А вивільняється, по суті, він використовується багато разів. Якщо в клітці є багато АТФ, цей крок пригнічується.

Наведена вище реакція потребує енергії і виходить з розщеплення високоенергетичного зв'язку між ацетильною групою і коферментом А.

Цитрат переходить до cis aconitato і відбувається з изоцитратом ферментом aconitasa. Наступним етапом є перетворення ізоцитрату в альфа-кетоглутарат шляхом дегідрованого ізоцитрату. Ця стадія є актуальною, оскільки вона призводить до зменшення NADH і вивільнення вуглекислого газу.

Альфа-кетоглутарат перетворюється в сукциніл-кофермент А за допомогою альфа-кетоглутаратдегідрогенази, яка використовує ті ж кофактори, як піруваткіназа. На цьому етапі також генерується NADH, і, як початковий етап, він інгібується надлишком АТФ.

Наступним продуктом є сукцинат. У його виробництві відбувається утворення ГТФ. Сукцинат переходить до фумарату. Ця реакція дає FADH. Фумарат, в свою чергу, перетворюється в малат і, нарешті, оксалацетат.

Електронний транспортний ланцюг

Електронна транспортна ланцюг спрямована на отримання електронів з сполук, що утворюються в попередніх стадіях, таких як NADH і FADH2, які знаходяться на високому енергетичному рівні, і приводять їх до більш низького енергетичного рівня.

Це зменшення енергії відбувається крок за кроком, тобто не відбувається раптово. Він складається з серії етапів, на яких відбуваються реакції окиснення-відновлення.

Основними компонентами ланцюга є комплекси, утворені білками і ферментами, сполученими з цитохромами: металлопорфірини типу heme.

Цитохроми досить схожі за своєю структурою, хоча кожна з них має особливість, що дозволяє йому виконувати свою специфічну функцію в ланцюзі, співаючи електрони на різних енергетичних рівнях..

Зсув електронів через дихальний ланцюг до нижчих рівнів виробляє виділення енергії. Ця енергія може бути використана в мітохондріях для синтезу АТФ у процесі, відомому як окисне фосфорилювання.

Хіміосмотичне зчеплення

Довгий час механізм утворення АТФ в ланцюзі був загадкою, поки біохімік Пітер Мітчелл не запропонував хіміосмотичного зчеплення..

У цьому явищі протонний градієнт встановлюється через внутрішню мітохондріальну мембрану. Енергія, що міститься в цій системі, вивільняється і використовується для синтезу АТФ.

Утворюється кількість АТФ

Як ми бачили, АТФ не формується безпосередньо в циклі Кребса, а в транспортному ланцюжку електронів. Для кожних двох електронів, що переходять від NADH до кисню, відбувається синтез трьох молекул ATP. Ця оцінка може трохи змінюватися в залежності від літератури.

Аналогічно, за кожні два електрони, які проходять від FADH2, утворюються дві молекули АТФ.

Функції

Основною функцією клітинного дихання є генерування енергії у вигляді АТФ з метою направлення її на функції клітини.

І тварини, і рослини вимагають вилучення хімічної енергії, що міститься в органічних молекулах, які вони використовують як їжу. У випадку з овочами, ці молекули є цукрами, які одна і та ж рослина синтезує з використанням сонячної енергії у відомому фотосинтетичному процесі.

З іншого боку, тварини не здатні синтезувати власне харчування. Таким чином, гетеротрофи споживають їжу в раціоні - як і ми, наприклад. Процес окислення відповідає за вилучення енергії з їжі.

Не слід плутати функції фотосинтезу з функціями дихання. Рослини, як і тварини, також дихають. Обидва процеси є взаємодоповнюючими і підтримують динаміку живого світу.

Список літератури

  1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Введення в клітинну біологію. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B.E. (2003). Біологія: Життя на Землі. Освіта Пірсона.
  3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Кертіс. Біологія. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C.P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2007). Інтегровані принципи зоології. McGraw-Hill.
  5. Рендалл, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Фізіологія тварин Екерта. Макміллан.
  6. Tortora, G.J., Funke, B.R., & Case, C.L. (2007). Введення в мікробіологію. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J.W., Lowe, J.S., Stevens, A., & Wheater, P.R. (2000). Функціональна гістологія: текстовий і кольоровий атлас. Харкорт.