Proces buněčného dýchání, typy a funkce



buněčné dýchání je to proces, který generuje energii ve formě ATP (adenosintrifosfát). Následně je tato energie nasměrována do jiných buněčných procesů. Během tohoto jevu molekuly podléhají oxidaci a konečný akceptor 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. Naopak u jedinců s anaerobním dýcháním může být kyslík toxický. V tomto posledním případě je konečným akceptorem anorganická molekula odlišná od kyslíku.

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

U eukaryotických organismů je veškerý aparát nezbytný pro uskutečnění 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 nepřítomností organel; Z tohoto důvodu dochází k dýchání ve specifických oblastech plazmatické membrány, které simulují prostředí velmi podobné prostředí mitochondrií..

Index

  • 1 Terminologie
  • 2 Kde dochází k buněčnému dýchání??
    • 2.1 Umístění dýchání u eukaryot
    • 2.2 Počet mitochondrií
    • 2.3 Umístění prokaryotického dýchání
  • 3 Typy
    • 3.1 Aerobní dýchání
    • 3.2 Anerbické dýchání
    • 3.3 Příklady anaerobních organismů
  • 4 Proces
    • 4.1 Krebsův cyklus
    • 4.2 Reakce Krebsova cyklu
    • 4.3 Elektronový transportní řetězec
    • 4.4 Chemosmotická vazba
    • 4.5 Množství vytvořeného ATP
  • 5 Funkce
  • 6 Odkazy

Terminologie

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

Dýchání plic zahrnuje činnost inspirující a vyprší, tento proces vede k výměně plynů: kyslíku a oxidu uhličitého. Správný termín pro tento jev je „ventilace“.

Naproti tomu dochází k buněčnému dýchání - jak název napovídá - uvnitř buněk a je to proces zodpovědný za generování energie prostřednictvím elektronového transportního řetězce. Tento poslední proces je ten, který bude popsán v tomto článku.

Kde dochází k buněčnému dýchání??

Umístění dýchání u eukaryot

Buněčné dýchání probíhá ve složité organele zvané mitochondrie. Strukturálně jsou mitochondrie široké 1,5 mikrometrů a 2 až 8 dlouhých. Vyznačují se vlastním genetickým materiálem a dělením binárním štěpením - pozůstatkové vlastnosti endosymbiotického původu.

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

Vnitřek mitochondrií se nazývá mitochondriální matrice. V tomto prostoru jsou enzymy, koenzymy, voda a fosfáty nezbytné pro respirační reakce.

Vnější membrána umožňuje průchod většiny malých molekul. Vnitřní membrána je však ta, která skutečně omezuje průchod velmi specifickými transportéry. Permeabilita této struktury hraje zásadní roli v produkci ATP.

Počet mitochondrií

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

Proto buňky, které vyžadují větší množství energie, se vyznačují vysokým počtem mitochondrií, na rozdíl od buněk, jejichž energetická náročnost je nižší.

Například jaterní buňky mají v průměru 2 500 mitochondrií, zatímco svalová buňka (velmi metabolicky aktivní) obsahuje mnohem větší počet a mitochondrie tohoto typu buněk jsou větší.

Kromě toho jsou tyto lokalizovány ve specifických oblastech, kde je vyžadována energie, například obklopující bičík spermií.

Umístění 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, obdobně jako mitochondrie..

Typy

Existují dva základní typy dýchání, v závislosti na molekule, která se chovala jako konečný akceptor elektronů. V aerobním dýchání je akceptorem kyslík, zatímco v anaerobním dýchání jde o anorganickou molekulu - i když v některých vzácných případech je akceptorem organická molekula. Dále si každý podrobně popíšeme:

Aerobní dýchání

V organismech s aerobním dýcháním je konečným akceptorem elektronů kyslík. Kroky, které se vyskytují, se dělí na Krebsův cyklus a elektronový transportní řetězec.

Podrobné vysvětlení reakcí probíhajících v těchto biochemických cestách bude popsáno v následující části.

Anechobní dýchání

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

Nicméně, produkce energie je vždy větší v aerobním dýchání, protože Krebsův cyklus funguje pouze částečně a ne všechny transportní molekuly v řetězci se účastní dýchání

Z tohoto důvodu je růst a vývoj anaerobních jedinců výrazně nižší než aerobik.

Příklady anaerobních organismů

V některých organismech kyslík je jedovatý a být volán přísný anaerobes. Nejznámějším příkladem je bakterie, která způsobuje tetanus a botulismus: Clostridium.

Navíc, tam jsou jiné organismy, které mohou střídavě mezi aerobním a anaerobním dýcháním, být volán fakultativní anaerobes. Jinými slovy, používají kyslík, když jim to vyhovuje a v nepřítomnosti se uchylují k anaerobnímu dýchání. Například dobře známá bakterie Escherichia coli má tento metabolismus.

Některé bakterie mohou používat dusičnanový ion (NO3-) jako konečný akceptor elektronů, jako jsou žánry Pseudomonas a Bacillus. Tento ion může být redukován na dusitanový ion, oxid dusný nebo plynný dusík.

V jiných případech se konečný akceptor skládá ze sulfátového iontu (SO42-), který způsobuje vznik sirovodíku a který používá uhličitan za vzniku metanu. Rod bakterií Desulfovibrio je příkladem tohoto typu akceptoru.

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

Proces

Glykolýza je předchozí cestou buněčného dýchání. Začíná molekulou glukózy a výsledným produktem je pyruvát, molekula s třemi atomy uhlíku. Glykolýza se odehrává v cytoplazmě buňky. Tato molekula musí být schopna vstoupit do mitochondrií, aby mohla pokračovat ve své degradaci.

Pyruvát může difundovat koncentračními gradienty do organely přes póry membrány. Konečným cílem bude matice mitochondrií.

Před vstupem do prvního kroku buněčné respirace molekula pyruvátu podléhá určitým modifikacím.

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

V této reakci jsou dva elektrony a jeden vodíkový ion přeneseny do NADP+, poskytující NADH a je katalyzován enzymatickým komplexem pyruvát dehydrogenázy. Reakce potřebuje řadu kofaktorů.

Po této modifikaci začnou 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 známé jako cyklus kyseliny citrónové nebo cyklus trikarboxylové kyseliny (TCA)..

Své jméno dostává na počest svého objevitele: německého biochemika Hanse Krebse. V roce 1953 získal Krebs Nobelovu cenu díky tomuto objevu, který označil oblast biochemie.

Cílem cyklu je postupné uvolňování energie obsažené v acetylkoenzymu A. Sestává z řady oxidačních a redukčních reakcí, které přenášejí energii do různých molekul, především do NAD.+.

Pro každé dvě molekuly acetylkoenzymu A, které vstupují do cyklu, se uvolňují čtyři molekuly oxidu uhličitého, generuje se šest molekul NADH a dvě molekuly FADH.2. CO2 Je uvolňován do ovzduší jako odpadní látka procesu. Generuje se také GTP.

Protože se tato cesta účastní jak anabolických (syntéza molekul), tak katabolických procesů (degradace molekul), nazývá se "amfibolický"..

Reakce Krebsova cyklu

Cyklus začíná fúzí molekuly acetylkoenzymu A s molekulou oxaloacetátu. Výsledkem tohoto spojení je molekula se šesti uhlíky: citrát. Tím se uvolňuje koenzym A. Ve skutečnosti se opakovaně používá mnohokrát. Pokud je v buňce hodně ATP, je tento krok inhibován.

Výše uvedená reakce vyžaduje energii a je získána z rozpadu vysokoenergetické vazby mezi acetylovou skupinou a koenzymem A.

Citrát přechází na cis aconitato a stává se isocitratem enzymem aconitasa. Dalším krokem je přeměna isocitrátu na alfa ketoglutarát dehydrogenovaným isocitrátem. Tato fáze je relevantní, protože vede k redukci NADH a uvolňuje oxid uhličitý.

Alfa ketoglutarát je konvertován na sukcinylkoenzym A pomocí alfa ketoglutarát dehydrogenázy, která používá stejné kofaktory jako pyruvát kináza. V tomto kroku je také generován NADH a jako počáteční krok je inhibován nadbytkem ATP.

Dalším produktem je sukcinát. Při jeho výrobě dochází k tvorbě GTP. Sukcinát přechází na fumarát. Tato reakce poskytuje FADH. Fumarát se zase stává malátem a nakonec oxalacetátem.

Elektronový transportní řetězec

Elektronový transportní řetězec má za cíl odebírat elektrony ze sloučenin generovaných v předchozích krocích, jako je NADH a FADH2, které jsou na vysoké energetické úrovni, a vedou je k nižší energetické úrovni.

Tento pokles energie se odehrává krok za krokem, to znamená, že se nestane náhle. Skládá se ze série kroků, kde dochází k oxidačně redukčním reakcím.

Hlavními složkami řetězce jsou komplexy tvořené proteiny a enzymy navázanými na cytochromy: metaloporfyriny typu hemu.

Cytochromy jsou poměrně podobné, pokud jde o jejich strukturu, i když každá z nich má svou specifičnost, která jí umožňuje vykonávat svou specifickou funkci v řetězci a zpívat elektrony na různých úrovních energie..

Posunutí elektronů přes respirační řetězec na nižší úroveň vede k uvolnění energie. Tato energie může být použita v mitochondriích pro syntézu ATP v procesu známém jako oxidační fosforylace.

Chemosmotická vazba

Mechanismus tvorby ATP v řetězci byl dlouhodobě enigma, dokud biochemik Peter Mitchell nenavrhl chemosmotickou vazbu..

V tomto fenoménu 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 elektronovém transportním řetězci. Pro každý dva elektrony, které přecházejí z NADH na kyslík, dochází k syntéze tří molekul ATP. Tento odhad se může trochu lišit v závislosti na použité literatuře.

Podobně, pro každý dva elektrony, které projdou z FADH2, tvoří se dvě molekuly ATP.

Funkce

Hlavní funkcí buněčné respirace je tvorba energie ve formě ATP, aby byla nasměrována na funkce buňky.

Jak zvířata, tak rostliny vyžadují extrakci chemické energie obsažené v organických molekulách, které používají jako potravu. V případě zeleniny jsou tyto molekuly cukry, které stejná rostlina syntetizuje s využitím sluneční energie ve slavném fotosyntetickém procesu..

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

Nesmíme zaměňovat funkce fotosyntézy s funkcemi dýchání. Rostliny, stejně jako zvířata, také dýchají. Oba procesy se doplňují a udržují dynamiku živého světa.

Odkazy

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