Proces buněčného dýchání, typy a funkce

1215
Robert Johnston

The buněčné dýchání je to proces, který generuje energii ve formě ATP (adenosintrifosfát). Později je tato energie směrována do dalších buněčných procesů. Během tohoto jevu molekuly procházejí oxidací a konečným akceptorem elektronů je ve většině případů anorganická molekula..

Povaha konečného akceptoru elektronů závisí na typu dýchání studovaného organismu. V aerobech - jako Homo sapiens - je konečným akceptorem elektronů kyslík. Naproti tomu pro anaerobní respirátory může být kyslík toxický. V druhém případě je konečným akceptorem jiná anorganická molekula než kyslík..

Zdroj: Autor Darekk2 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], z Wikimedia Commons

Aerobní dýchání bylo rozsáhle studováno biochemiky a skládá se ze dvou fází: Krebsova cyklu a elektronového transportního řetězce..

U eukaryotických organismů je veškerý aparát nezbytný pro dýchání uvnitř mitochondrií, a to jak v mitochondriální matrici, tak v membránovém systému této organely..

Strojní zařízení se skládá z enzymů, které katalyzují reakce procesu. Prokaryotická linie se vyznačuje absencí organel; z tohoto důvodu dochází k dýchání ve specifických oblastech plazmatické membrány, které simulují prostředí velmi podobné prostředí mitochondrií.

Rejstřík článků

  • 1 Terminologie
  • 2 Kde dochází k buněčnému dýchání?
    • 2.1 Místo dýchání u eukaryot
    • 2.2 Počet mitochondrií
    • 2.3 Místo prokaryotického dýchání
  • 3 typy
    • 3.1 Aerobní dýchání
    • 3.2 Anerobní dýchání
    • 3.3 Příklady anaerobních organismů
  • 4 Zpracovat
    • 4.1 Krebsův cyklus
    • 4.2 Reakce Krebsova cyklu
    • 4.3 Řetězec transportu elektronů
    • 4.4 Chemosmotická vazba
    • 4.5 Vytvořené množství ATP
  • 5 funkcí
  • 6 Reference

Terminologie

V oblasti fyziologie má termín „dýchání“ dvě definice: plicní dýchání a buněčné dýchání. Když používáme slovo dech v každodenním životě, odkazujeme na první typ.

Plicní dýchání zahrnuje působení dýchání dovnitř a ven, tento proces vede k výměně plynů: kyslíku a oxidu uhličitého. Správný termín pro tento jev je „ventilace“.

Naproti tomu buněčné dýchání nastává - jak naznačuje jeho název - uvnitř buněk a je to proces odpovědný za generování energie prostřednictvím elektronového transportního řetězce. Tento poslední proces je ten, který bude popsán v tomto článku..

Kde dochází k buněčnému dýchání?

Místo dýchání u eukaryot

Mitochondrie

Buněčné dýchání probíhá ve složité organele zvané mitochondrie. Strukturálně jsou mitochondrie 1,5 mikrometrů široké a 2 až 8 mikrometrů dlouhé. Vyznačují se tím, že mají svůj vlastní genetický materiál a dělením podle binárního štěpení - zakrnělé vlastnosti jejich endosymbiotického původu..

Mají dvě membrány, jednu hladkou a druhou vnitřní se záhyby, které tvoří hřebeny. Čím aktivnější jsou mitochondrie, tím více hřebenů má.

Vnitřek mitochondrií se nazývá mitochondriální matice. V této komoře jsou enzymy, koenzymy, voda a fosfáty nezbytné pro respirační reakce.

Vnější membrána umožňuje průchod většiny malých molekul. Je to však vnitřní membrána, která ve skutečnosti omezuje průchod velmi specifickými transportéry. Propustnost této struktury hraje zásadní roli při výrobě ATP.

Počet mitochondrií

Enzymy a další složky nezbytné pro buněčné dýchání se nacházejí zakotvené v membránách a volné v mitochondriální matrici..

Proto buňky, které vyžadují větší množství energie, se vyznačují tím, že mají vysoký počet mitochondrií, na rozdíl od buněk, jejichž energetická potřeba je nižší..

Například jaterní buňky mají v průměru 2500 mitochondrií, zatímco svalová buňka (velmi metabolicky aktivní) obsahuje mnohem vyšší počet a mitochondrie tohoto typu buněk jsou větší.

Kromě toho se nacházejí ve specifických oblastech, kde je vyžadována energie, například v okolí bičíku spermií..

Místo prokaryotického dýchání

Logicky prokaryotické organismy potřebují dýchat a nemají mitochondrie - ani složité organely charakteristické pro eukaryoty. Z tohoto důvodu probíhá respirační proces v malých invaginacích plazmatické membrány, analogicky k tomu, co se děje v mitochondriích..

Typy

Existují dva základní typy dýchání, v závislosti na molekule, která fungovala jako konečný akceptor elektronů. V aerobním dýchání je akceptorem kyslík, zatímco v anaerobním je to anorganická molekula - i když v několika konkrétních případech je akceptorem organická molekula. Níže budeme podrobně popisovat každou z nich:

Aerobní dýchání

V aerobních respiračních organismech je konečným akceptorem elektronů kyslík. Kroky, které nastanou, se dělí na Krebsův cyklus a elektronový transportní řetězec.

Podrobné vysvětlení reakcí, které probíhají v těchto biochemických drahách, bude rozvedeno v následující části.

Anerobní dýchání

Konečný akceptor se skládá z jiné molekuly než kyslíku. Množství ATP generovaného anaerobním dýcháním závisí na několika faktorech, včetně studovaného organismu a použité cesty..

Produkce energie je však v aerobním dýchání vždy vyšší, protože Krebsův cyklus funguje pouze částečně a ne všechny transportní molekuly v řetězci se podílejí na dýchání.

Z tohoto důvodu je růst a vývoj anaerobních jedinců výrazně menší než u aerobních jedinců..

Příklady anaerobních organismů

V některých organismech je kyslík toxický a říká se jim přísné anaeroby. Nejznámějším příkladem jsou bakterie, které způsobují tetanus a botulismus: Clostridium.

Kromě toho existují další organismy, které mohou střídat aerobní a anaerobní dýchání a nazývají se fakultativními anaeroby. Jinými slovy, používají kyslík, když jim to vyhovuje, a pokud ho nemají, uchýlí se k anaerobnímu dýchání. Například známá bakterie Escherichia coli má tento metabolismus.

Určité bakterie mohou použít dusičnanový iont (NO3-) jako konečný akceptor elektronů, například rody Pseudomonas Y Bacil. Uvedený iont lze redukovat na dusitanový iont, oxid dusný nebo plynný dusík.

V ostatních případech se konečný akceptor skládá ze síranového iontu (SO4dva-), který dává vzniknout sirovodíku a používá uhličitan k tvorbě metanu. Rod bakterií Desulfovibrio je příkladem tohoto typu akceptoru.

Tento příjem elektronů v molekulách dusičnanů a síranů je zásadní v biogeochemických cyklech těchto sloučenin - dusíku a síry..

Proces

Glykolýza je cesta před buněčným dýcháním. Začíná to molekulou glukózy a konečným produktem je pyruvát, molekula se třemi uhlíky. Glykolýza probíhá v cytoplazmě buňky. Tato molekula musí být schopna vstoupit do mitochondrií, aby mohla pokračovat v degradaci.

Pyruvát může difundovat pomocí koncentračních gradientů do organely přes póry membrány. Konečným cílem bude matice mitochondrií.

Před vstupem do prvního kroku buněčného dýchání prochází molekula pyruvátu určitými modifikacemi.

Nejprve reaguje s molekulou zvanou koenzym A. Každý pyruvát se štěpí na oxid uhličitý a acetylovou skupinu, která se váže na koenzym A, čímž vzniká komplex aceyl koenzymu A..

V této reakci jsou dva elektrony a vodíkový ion přeneseny do NADP+, čímž se získá NADH a je katalyzován komplexem enzymu pyruvát dehydrogenázy. Reakce vyžaduje řadu kofaktorů.

Po této modifikaci začínají dvě fáze dýchání: Krebsův cyklus a elektronový transportní řetězec..

Krebsův cyklus

Krebsův cyklus je jednou z nejdůležitějších cyklických reakcí v biochemii. V literatuře je také známý jako cyklus kyseliny citronové nebo cyklus trikarboxylové kyseliny (TCA).

Je pojmenován na počest svého objevitele: německého biochemika Hanse Krebse. V roce 1953 byla Krebsovi udělena Nobelova cena za tento objev, který označil oblast biochemie..

Cílem cyklu je postupné uvolňování energie obsažené v acetyl koenzymu A. Skládá se z řady oxidačních a redukčních reakcí, které přenášejí energii na různé molekuly, zejména NAD+.

Na každé dvě molekuly acetyl koenzymu A, které vstupují do cyklu, se uvolní čtyři molekuly oxidu uhličitého, šest molekul NADH a dvě FADH.dva. COdva uvolňuje se do atmosféry jako odpadní látka z procesu. Generuje se také GTP.

Protože se tato cesta účastní jak anabolických (syntéza molekul), tak katabolických (degradace molekul) procesů, nazývá se „amfibolická“.

Reakce Krebsova cyklu

Cyklus začíná fúzí molekuly acetyl koenzymu A s molekulou oxaloacetátu. Toto spojení vede k molekule šesti uhlíků: citrátu. Uvolňuje se tak koenzym A. Ve skutečnosti se opakovaně používá. Pokud je v buňce hodně ATP, je tento krok potlačen.

Výše uvedená reakce vyžaduje energii a získává ji rozbitím vysokoenergetické vazby mezi acetylovou skupinou a koenzymem A.

Citrát se převádí na cis akonitát a na isocitrát se převádí enzymem akonitázou. Dalším krokem je přeměna isocitrátu na alfa ketoglutarát dehydrogenovaným isocitrátem. Tato fáze je relevantní, protože vede ke snížení NADH a uvolňuje oxid uhličitý..

Alfa ketoglutarát se převádí na sukcinyl koenzym A alfa ketoglutarát dehydrogenázou, která používá stejné kofaktory jako pyruvátkináza. NADH je také generován v tomto kroku a jako počáteční krok je inhibován nadbytkem ATP..

Dalším produktem je sukcinát. Při jeho výrobě dochází k tvorbě GTP. Sukcinát se stává fumarátem. Tato reakce vede k FADH. Fumarát se zase stává malátem a nakonec oxaloacetátem.

Řetězec transportu elektronů

Cílem řetězce přenosu elektronů je získat elektrony ze sloučenin generovaných v předchozích krocích, jako je NADH a FADHdva, které jsou na vysoké energetické úrovni a vedou je k nižší energetické úrovni.

K tomuto poklesu energie dochází krok za krokem, to znamená, že k němu nedochází náhle. Skládá se z řady kroků, kde dochází k redoxním reakcím.

Hlavními složkami řetězce jsou komplexy tvořené bílkovinami a enzymy navázanými na cytochromy: metaloporfyriny hemového typu.

Cytochromy jsou si velmi podobné, pokud jde o jejich strukturu, i když každý z nich má zvláštnosti, které mu umožňují vykonávat svou specifickou funkci v řetězci a zpívat elektrony na různých úrovních energie..

Pohyb elektronů dýchacím řetězcem na nižší úrovně produkuje uvolňování energie. Tato energie může být použita v mitochondriích k syntéze ATP, v procesu známém jako oxidační fosforylace..

Chemosmotická vazba

Po dlouhou dobu byl mechanismus tvorby ATP v řetězci záhadou, dokud biochemik Peter Mitchell nenavrhl chemosmotickou vazbu.

V tomto jevu je protonový gradient vytvořen přes vnitřní mitochondriální membránu. Energie obsažená v tomto systému se uvolňuje a používá k syntéze ATP.

Množství vytvořeného ATP

Jak jsme viděli, ATP se netvoří přímo v Krebsově cyklu, ale v řetězci transportu elektronů. U každých dvou elektronů, které procházejí z NADH do kyslíku, dochází k syntéze tří molekul ATP. Tento odhad se může trochu lišit v závislosti na konzultované literatuře..

Podobně pro každé dva elektrony, které procházejí z FADHdva, jsou vytvořeny dvě molekuly ATP.

Funkce

Hlavní funkcí buněčného dýchání je generování energie ve formě ATP, aby bylo možné ji nasměrovat na funkce buňky..

Zvířata i rostliny potřebují extrahovat chemickou energii obsaženou v organických molekulách, které používají k jídlu. V případě zeleniny jsou to molekuly cukrů, které si rostlina sama syntetizuje pomocí sluneční energie ve slavném procesu fotosyntézy..

Zvířata na druhé straně nejsou schopna syntetizovat své vlastní jídlo. Heterotrofové tedy konzumují potravu ve stravě - jako například my. Oxidační proces je zodpovědný za získávání energie z potravin.

Neměli bychom si plést funkce fotosyntézy s funkcemi dýchání. Rostliny, jako zvířata, také dýchají. Oba procesy se doplňují a udržují dynamiku živého světa.

Reference

  1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Úvod do buněčné biologie. Panamerican Medical Ed..
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B. E. (2003). Biology: Life on Earth. Pearsonovo vzdělání.
  3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. biologie. Panamerican Medical Ed..
  4. Hickman, C. P., Roberts, L. S., Larson, A., Ober, W. C., & Garrison, C. (2007). Integrované principy zoologie. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckertova fyziologie zvířat. Macmillana.
  6. Tortora, G. J., Funke, B. R., & Case, C. L. (2007). Úvod do mikrobiologie. Panamerican Medical Ed..
  7. Young, B., Heath, J. W., Lowe, J. S., Stevens, A., & Wheater, P. R. (2000). Funkční histologie: textový a barevný atlas. Harcourt.

Zatím žádné komentáře