Proces bunkového dýchania, typy a funkcie



bunkové dýchanie je to proces, ktorý generuje energiu vo forme ATP (adenozíntrifosfátu). Následne je táto energia nasmerovaná do iných bunkových procesov. Počas tohto javu molekuly podliehajú oxidácii a konečný akceptor elektrónov je vo väčšine prípadov anorganická molekula.

Povaha konečného akceptora elektrónov závisí od typu dýchania študovaného organizmu. V aeróboch - ako Homo sapiens - je konečným akceptorom elektrónov kyslík. Oproti tomu u jedincov s anaeróbnou respiráciou môže byť kyslík toxický. V tomto poslednom prípade je konečným akceptorom anorganická molekula odlišná od kyslíka.

Aeróbne dýchanie bolo široko študované biochemikmi a pozostáva z dvoch fáz: Krebsov cyklus a elektrónový transportný reťazec.

V eukaryotických organizmoch je všetko zariadenie potrebné na to, aby sa uskutočnilo dýchanie, vo vnútri mitochondrií, ako v mitochondriálnej matrici, tak v membránovom systéme tejto organely..

Strojové zariadenie pozostáva z enzýmov, ktoré katalyzujú reakcie procesu. Prokaryotická línia je charakterizovaná neprítomnosťou organel; Z tohto dôvodu dochádza k respirácii v špecifických oblastiach plazmatickej membrány, ktorá simuluje prostredie veľmi podobné prostrediu mitochondrií..

index

  • 1 Terminológia
  • 2 Kde dochádza k bunkovému dýchaniu??
    • 2.1 Umiestnenie dýchania v eukaryotoch
    • 2.2 Počet mitochondrií
    • 2.3 Umiestnenie prokaryotického dýchania
  • 3 Typy
    • 3.1 Aeróbne dýchanie
    • 3.2 Anerbické dýchanie
    • 3.3 Príklady anaeróbnych organizmov
  • 4 Proces
    • 4.1 Krebsov cyklus
    • 4.2 Reakcie Krebsovho cyklu
    • 4.3 Elektronový transportný reťazec
    • 4.4 Chemosmotická väzba
    • 4.5 Množstvo vytvoreného ATP
  • 5 Funkcie
  • 6 Referencie

terminológie

V oblasti fyziológie má termín „respirácia“ dve definície: pľúcne dýchanie a bunkové dýchanie. Keď používame slovo dýchanie v každodennom živote, hovoríme o prvom type.

Pľúcne dýchanie zahŕňa činnosť inšpirujúcej a vypršajúcej, tento proces má za následok výmenu plynov: kyslík a oxid uhličitý. Správny termín pre tento jav je „vetranie“.

Na rozdiel od toho dochádza k bunkovému dýchaniu - ako už názov napovedá - vo vnútri buniek a je to proces zodpovedný za generovanie energie prostredníctvom elektrónového transportného reťazca. Tento posledný proces je ten, ktorý bude opísaný v tomto článku.

Kde dochádza k bunkovému dýchaniu??

Umiestnenie dýchania v eukaryotoch

Bunkové dýchanie prebieha v komplexnej organele nazývanej mitochondrie. Štruktúrne sú mitochondrie široké 1,5 mikrometra a 2 až 8 dlhé. Vyznačujú sa vlastným genetickým materiálom a delením binárnym štiepením - charakteristika ich endosymbiotického pôvodu.

Majú dve membrány, jednu hladkú a jednu vnútornú so záhybmi, ktoré tvoria hrebene. Čím aktívnejšia je mitochondria, tým viac hrebeňov má.

Interiér mitochondrií sa nazýva mitochondriálna matrica. V tomto kompartmente sú enzýmy, koenzýmy, voda a fosfáty potrebné pre respiračné reakcie.

Vonkajšia membrána umožňuje prechod väčšiny malých molekúl. Vnútorná membrána je však taká, ktorá skutočne obmedzuje prechod cez veľmi špecifické transportéry. Permeabilita tejto štruktúry zohráva zásadnú úlohu pri výrobe ATP.

Počet mitochondrií

Enzýmy a ďalšie zložky potrebné na bunkové dýchanie sa nachádzajú v membránach a sú voľné v mitochondriálnej matrici..

Preto bunky, ktoré vyžadujú väčšie množstvo energie, sa vyznačujú vysokým počtom mitochondrií, na rozdiel od buniek, ktorých energetická potreba je nižšia.

Napríklad pečeňové bunky majú v priemere 2500 mitochondrií, zatiaľ čo svalová bunka (veľmi metabolicky aktívna) obsahuje oveľa väčší počet a mitochondrie tohto typu buniek sú väčšie.

Okrem toho sú tieto lokalizované v špecifických oblastiach, kde je potrebná energia, napríklad obklopujúca bičík.

Umiestnenie prokaryotického dýchania

Logicky, prokaryotické organizmy potrebujú dýchať a nemajú mitochondrie - ani komplexné organely charakteristické pre eukaryoty. Z tohto dôvodu prebieha dýchací proces v malých invagináciách plazmatickej membrány, podobne ako mitochondrie..

typ

Existujú dva základné typy dýchania v závislosti od molekuly, ktorá pôsobila ako konečný akceptor elektrónov. Pri aeróbnom dýchaní je akceptorom kyslík, zatiaľ čo v anaeróbnom dýchaní ide o anorganickú molekulu - hoci v niektorých zriedkavých prípadoch je akceptorom organická molekula. Ďalej podrobne opíšeme:

Aeróbne dýchanie

V organizmoch s aeróbnym dýchaním je konečným akceptorom elektrónov kyslík. Kroky, ktoré sa vyskytujú, sú rozdelené do Krebsovho cyklu a elektrónového transportného reťazca.

Podrobné vysvetlenie reakcií, ku ktorým dochádza v týchto biochemických dráhach, bude vyvinuté v nasledujúcej časti.

Anechóbne dýchanie

Konečný akceptor sa skladá z molekuly inej ako kyslík. Množstvo ATP generované anaeróbnou respiráciou závisí od viacerých faktorov, vrátane študijného organizmu a použitej cesty..

Produkcia energie je však vždy väčšia v aeróbnom dýchaní, pretože Krebsov cyklus funguje len čiastočne a nie všetky transportné molekuly v reťazci sa zúčastňujú na dýchaní

Z tohto dôvodu je rast a vývoj anaeróbnych jedincov výrazne nižší ako aerobik.

Príklady anaeróbnych organizmov

V niektorých organizmoch je kyslík toxický a nazývajú sa prísnymi anaeróbmi. Najznámejším príkladom je baktéria, ktorá spôsobuje tetanus a botulizmus: Clostridium.

Okrem toho existujú aj iné organizmy, ktoré sa môžu striedať medzi aeróbnym a anaeróbnym dýchaním, nazývaným fakultatívne anaeróby. Inými slovami, používajú kyslík, keď im to vyhovuje, av neprítomnosti ho využívajú na anaeróbne dýchanie. Napríklad dobre známa baktéria Escherichia coli má tento metabolizmus.

Niektoré baktérie môžu používať ióny dusičnanov (NO3-) ako konečný akceptor elektrónov, ako napr. \ t Pseudomonas a bacil. Tento ión môže byť redukovaný na dusitanový ión, oxid dusný alebo plynný dusík.

V iných prípadoch konečný akceptor pozostáva zo sulfátového iónu (SO)42-), ktorý spôsobuje vznik sírovodíka a ktorý používa uhličitan na vytvorenie metánu. Rod baktérií Desulfovibrio je príklad tohto typu akceptora.

Tento príjem elektrónov v molekulách dusičnanov a síranov je rozhodujúci v biogeochemických cykloch týchto zlúčenín - dusíka a síry.

proces

Glykolýza je predchádzajúcou cestou k bunkovému dýchaniu. Začína molekulou glukózy a konečným produktom je pyruvát, molekula s tromi uhlíkmi. Glykolýza sa uskutočňuje v cytoplazme bunky. Táto molekula musí byť schopná vstúpiť do mitochondrií, aby mohla pokračovať vo svojej degradácii.

Pyruvát môže difundovať koncentračnými gradientmi do organely cez póry membrány. Konečným cieľom bude matica mitochondrií.

Pred vstupom do prvého kroku bunkovej respirácie podstupuje molekula pyruvátu určité modifikácie.

Najprv reaguje s molekulou nazývanou koenzým A. Každý pyruvát sa štiepi na oxid uhličitý a na acetylovú skupinu, ktorá sa viaže na koenzým A, čím vzniká komplex acetylkoenzýmu A..

V tejto reakcii sa dva elektróny a jeden vodíkový ión prenesú do NADP+, poskytujúc NADH a je katalyzovaný enzymatickou komplexnou pyruvát dehydrogenázou. Reakcia potrebuje sériu kofaktorov.

Po tejto modifikácii začnú dve fázy dýchania: Krebsov cyklus a elektrónový transportný reťazec.

Krebsov cyklus

Krebsov cyklus je jednou z najdôležitejších cyklických reakcií v biochémii. Z literatúry je tiež známy cyklus kyseliny citrónovej alebo cyklus trikarboxylovej kyseliny (TCA)..

Dostáva svoje meno na počesť svojho objaviteľa: nemeckého biochemika Hansa Krebsa. V roku 1953 získal Krebs Nobelovu cenu vďaka tomuto objavu, ktorý označil oblasť biochémie.

Cieľom cyklu je postupné uvoľňovanie energie obsiahnutej v acetylkoenzýme A. Pozostáva zo série oxidačných a redukčných reakcií, ktoré prenášajú energiu do rôznych molekúl, najmä do NAD.+.

Pre každé dve molekuly acetylkoenzýmu A, ktoré vstupujú do cyklu, sa uvoľňujú štyri molekuly oxidu uhličitého, šesť molekúl NADH a dve molekuly FADH sú generované.2. CO2 Je uvoľňovaný do ovzdušia ako odpadová látka procesu. Generuje sa aj GTP.

Keďže táto cesta sa podieľa na anabolických (syntéze molekúl) aj katabolických procesoch (degradácii molekúl), nazýva sa "amfibolický"..

Reakcie Krebsovho cyklu

Cyklus začína fúziou molekuly acetylkoenzýmu A s molekulou oxaloacetátu. Výsledkom tohto spojenia je molekula so šesť uhlíkom: citrát. Tým sa uvoľňuje koenzým A. V skutočnosti sa viackrát opakovane používa. Ak je v bunke veľa ATP, tento krok je inhibovaný.

Vyššie uvedená reakcia vyžaduje energiu a je získaná rozpadom vysokoenergetickej väzby medzi acetylovou skupinou a koenzýmom A.

Citrát prechádza do cis aconitato a stáva sa izocitratom enzýmom aconitasa. Ďalším krokom je konverzia izocitrátu na alfa ketoglutarát dehydrogenovaným izocitrátom. Táto fáza je relevantná, pretože vedie k redukcii NADH a uvoľňuje oxid uhličitý.

Alfa-ketoglutarát sa konvertuje na sukcinylkoenzým A pomocou alfa ketoglutarát dehydrogenázy, ktorá používa rovnaké kofaktory ako pyruvátkináza. V tomto kroku sa tiež vytvára NADH a ako počiatočný krok sa inhibuje nadbytkom ATP.

Ďalším produktom je sukcinát. Pri jeho výrobe dochádza k tvorbe GTP. Sukcinát prechádza na fumarát. Táto reakcia poskytuje FADH. Fumarát sa zase stáva malátom a nakoniec oxalacetátom.

Elektronový transportný reťazec

Elektronový transportný reťazec má za cieľ odobrať elektróny zo zlúčenín generovaných v predchádzajúcich krokoch, ako sú NADH a FADH2, ktoré sú na vysokej úrovni energie a vedú ich k nižšej úrovni energie.

K tomuto poklesu energie dochádza postupne, to znamená, že sa to nestane náhle. Pozostáva zo série krokov, pri ktorých dochádza k oxidačno-redukčným reakciám.

Hlavnými zložkami reťazca sú komplexy tvorené proteínmi a enzýmami viazanými na cytochrómy: metaloporfyríny typu hemu.

Cytochrómy sú dosť podobné, pokiaľ ide o ich štruktúru, hoci každá z nich má osobitosť, ktorá jej umožňuje vykonávať svoju špecifickú funkciu v reťazci, pričom spieva elektróny na rôznych úrovniach energie..

Vytesnenie elektrónov respiračným reťazcom na nižšie úrovne spôsobuje uvoľnenie energie. Táto energia sa môže použiť v mitochondriách na syntézu ATP v procese známom ako oxidačná fosforylácia.

Chemosmotická väzba

Mechanizmus tvorby ATP v reťazci bol dlhý čas záhadou, až kým biochemik Peter Mitchell nenavrhol chemosmotickú väzbu..

V tomto fenoméne sa protónovým gradientom vytvára vnútorná mitochondriálna membrána. Energia obsiahnutá v tomto systéme sa uvoľní a použije na syntézu ATP.

Množstvo vytvoreného ATP

Ako sme videli, ATP sa netvorí priamo v Krebsovom cykle, ale v reťazci transportu elektrónov. Pre každé dva elektróny, ktoré prechádzajú z NADH na kyslík, dochádza k syntéze troch molekúl ATP. Tento odhad sa môže trochu líšiť v závislosti od konzultovanej literatúry.

Podobne pre každé dva elektróny, ktoré prechádzajú z FADH2, tvoria sa dve molekuly ATP.

funkcie

Hlavnou funkciou bunkovej respirácie je tvorba energie vo forme ATP, aby sa nasmerovala na funkcie bunky.

Zvieratá aj rastliny vyžadujú extrahovanie chemickej energie obsiahnutej v organických molekulách, ktoré používajú ako potravu. V prípade zeleniny, tieto molekuly sú cukry, ktoré rovnaká rastlina syntetizuje s využitím slnečnej energie v slávnom fotosyntetickom procese.

Zvieratá na druhej strane nie sú schopné syntetizovať svoje vlastné jedlo. Tak, heterotrofy konzumujú jedlo v strave - ako napríklad my. Oxidačný proces je zodpovedný za získavanie energie z potravín.

Nesmieme si zamieňať funkcie fotosyntézy s funkciami dýchania. Rastliny, rovnako ako zvieratá, tiež dýchajú. Oba procesy sa vzájomne dopĺňajú a udržiavajú dynamiku živého sveta.

referencie

  1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Úvod do bunkovej biológie. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B.E. (2003). Biológia: Život na Zemi. Pearsonovo vzdelávanie.
  3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. biológie. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C. P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2007). Integrované zásady zoológie. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckertova fyziológia zvierat. Macmillan.
  6. Tortora, G. J., Funke, B.R., a C. L. (2007). Úvod do mikrobiológie. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J.W., Lowe, J.S., Stevens, A., & Wheater, P.R. (2000). Funkčná histológia: textový a farebný atlas. Harcourt.