CELLULÆR ÅNDEDRÆT: PROCES, TYPER OG FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

Den cellulære respiration er en proces, der genererer energi i form af ATP (adenosintrifosfat). Senere rettes denne energi mod andre cellulære processer. Under dette fænomen gennemgår molekylerne oxidation, og den endelige acceptor af elektronerne er i de fleste tilfælde et uorganisk molekyle.

Arten af ​​den endelige elektronacceptor afhænger af respirationen af ​​den studerede organisme. I aerobes - som Homo sapiens - er den endelige elektronacceptor ilt. I modsætning hertil kan ilt for anaerobe åndedrætsværn være giftigt. I sidstnævnte tilfælde er den endelige acceptor et uorganisk molekyle bortset fra ilt.

Kilde: Af Darekk2 fra Wikimedia Commons

Aerob respiration er blevet undersøgt omfattende af biokemikere og består af to faser: Krebs-cyklussen og elektrontransportkæden.

I eukaryote organismer er alt det nødvendige maskiner til respiration at finde sted inden for mitokondrierne, både i den mitokondriske matrix og i membransystemet til denne organelle.

Maskineriet består af enzymer, der katalyserer reaktionerne i processen. Den prokaryotiske afstamning er kendetegnet ved fraværet af organeller; Af denne grund forekommer respiration i specifikke regioner i plasmamembranen, der simulerer et miljø, der ligner mitokondrierens miljø.

Terminologi

Inden for fysiologi har udtrykket "respiration" to definitioner: pulmonal respiration og cellulær respiration. Når vi bruger ordet ånde i hverdagen, henviser vi til den første type.

Pulmonal respiration omfatter indånding og indånding, denne proces resulterer i udveksling af gasser: ilt og kuldioxid. Det rigtige udtryk for dette fænomen er "ventilation".

I modsætning hertil forekommer cellulær respiration - som navnet antyder - inde i celler og er den proces, der er ansvarlig for at generere energi gennem en elektrontransportkæde. Denne sidste proces er den, der vil blive drøftet i denne artikel.

Hvor forekommer cellulær respiration?

Åndedræts placering i eukaryoter

Mitokondrier

Cellulær respiration finder sted i en kompleks organelle kaldet mitochondria. Strukturelt set er mitokondrier 1,5 mikrometer brede og 2 til 8 mikron lange. De er kendetegnet ved at have deres eget genetiske materiale og ved at dele med binær fission - vestigiale karakteristika for deres endosymbiotiske oprindelse.

De har to membraner, en glat og en intern en med folder, der danner ryggen. Jo mere aktiv mitokondrierne er, jo flere kanter har den.

Det indre af mitochondrion kaldes mitochondrial matrix. I dette rum er de enzymer, coenzymer, vand og phosphater, der er nødvendige til respirationsreaktioner.

Den ydre membran tillader passage af de fleste små molekyler. Imidlertid er det den indre membran, der faktisk begrænser passagen gennem meget specifikke transportører. Permeabiliteten af ​​denne struktur spiller en grundlæggende rolle i produktionen af ​​ATP.

Antal mitokondrier

Enzymerne og andre komponenter, der er nødvendige til cellulær respiration, findes forankrede i membranerne og frie i mitokondriematrixen.

Derfor er celler, der kræver en større mængde energi, karakteriseret ved at have et stort antal mitokondrier i modsætning til celler, hvis energibehov er lavere.

F.eks. Har leverceller i gennemsnit 2.500 mitokondrier, mens en muskelcelle (meget metabolisk aktiv) indeholder et meget højere antal, og mitokondrierne af denne celletype er større.

Derudover er disse placeret i specifikke regioner, hvor energi er påkrævet, for eksempel omkring sædens flagellum.

Placering af prokaryot respiration

Logisk set er prokaryotiske organismer nødt til at trække vejret, og de har ikke mitokondrier - heller ikke komplekse organeller, der er karakteristiske for eukaryoter. Af denne grund finder respirationsprocessen sted i små invaginationer af plasmamembranen, analogt med, hvordan den forekommer i mitokondrier.

typer

Der er to grundlæggende typer respiration, afhængigt af molekylet, der fungerede som den endelige acceptor af elektronerne. Ved aerob respiration er acceptoren ilt, mens den i anaerob er et uorganisk molekyle - skønt acceptoren i nogle få tilfælde er et organisk molekyle. Vi beskriver hver enkelt i detaljer nedenfor:

Aerob respiration

I aerobe respirationsorganismer er den endelige acceptor for elektroner ilt. De trin, der forekommer, er opdelt i Krebs-cyklus og elektrontransportkæden.

Den detaljerede forklaring af reaktionerne, der finder sted i disse biokemiske veje, vil blive udviklet i det næste afsnit.

Anerob respiration

Den endelige acceptor består af et andet molekyle end ilt. Mængden af ​​ATP genereret ved anaerob respiration afhænger af adskillige faktorer, herunder organismen, der undersøges, og den anvendte rute.

Energiproduktionen er dog altid højere i aerob respiration, da Krebs-cyklus kun fungerer delvist, og ikke alle transportermolekyler i kæden deltager i respiration.

Af denne grund er væksten og udviklingen af ​​anaerobe individer signifikant mindre end aerobe.

Eksempler på anaerobe organismer

I nogle organismer er ilt giftigt, og de kaldes strenge anaerober. Det bedst kendte eksempel er bakterien, der forårsager stivkrampe og botulisme: Clostridium.

Derudover er der andre organismer, der kan skifte mellem aerob og anaerob respiration, der kaldes fakultative anaerober. Med andre ord bruger de ilt, når det passer dem, og i mangel af det ty de til anaerob respiration. For eksempel besidder den velkendte bakterie Escherichia coli denne metabolisme.

Visse bakterier kan bruge nitration (NO ₃ ^-) som den endelige elektronacceptor, såsom slægterne Pseudomonas og Bacillus. Denne ion kan reduceres til nitrition, nitrogenoxid eller nitrogengas.

I andre tilfælde det endelige acceptor består af sulfationen (SO ₄ ^2-), der giver anledning til hydrogensulfid og bruger carbonatet til formen methan. Desulfovibrio-slægten af ​​bakterier er et eksempel på denne type acceptor.

Denne modtagelse af elektroner i nitrat- og sulfatmolekyler er afgørende i de biogeokemiske cyklusser af disse forbindelser - nitrogen og svovl.

Behandle

Glykolyse er en vej inden cellulær respiration. Det starter med et glukosemolekyle, og slutproduktet er pyruvat, et tre-carbon molekyle. Glykolyse finder sted i cytoplasmaet i cellen. Dette molekyle skal være i stand til at komme ind i mitokondrierne for at fortsætte sin nedbrydning.

Pyruvat kan diffundere gennem koncentrationsgradienter i organellen gennem membranens porer. Den endelige destination vil være matrixen af ​​mitokondrierne.

Før pyruvatmolekylet går ind i det første trin i cellulær respiration, gennemgår visse modifikationer.

Først reagerer det med et molekyle kaldet co-enzym A. Hvert pyruvat klækkes ind i kuldioxid, og acetylgruppen, der binder til co-enzym A, giver anledning til aceyl-co-enzym A-komplekset.

I denne reaktion overføres to elektroner og en hydrogenion til NADP ⁺, hvilket giver NADH, og det katalyseres af pyruvatdehydrogenaseenzymkomplekset. Reaktionen kræver en række kofaktorer.

Efter denne ændring begynder de to trin inden for åndedræt: Krebs-cyklussen og elektrontransportkæden.

Krebs-cyklussen

Krebs-cyklussen er en af ​​de vigtigste cykliske reaktioner inden for biokemi. Det er også kendt i litteraturen som citronsyrecyklus eller tricarboxylsyrecyklus (TCA).

Det er opkaldt efter sin opdager: den tyske biokemiker Hans Krebs. I 1953 blev Krebs tildelt Nobelprisen for denne opdagelse, der markerede området biokemi.

Målet med cyklussen er den gradvise frigivelse af energien indeholdt i acetylcoenzym A. Den består af en række oxidations- og reduktionsreaktioner, der overfører energi til forskellige molekyler, hovedsageligt NAD ⁺.

For hver to acetylcoenzymer A-molekyler, der kommer ind i cyklussen, frigøres fire molekyler af kuldioxid, seks molekyler af NADH og to af FADH ₂. CO ₂ frigøres i atmosfæren som affaldsstoffer fra processen. GTP genereres også.

Da denne vej deltager i både anabolske (molekylsyntese) og kataboliske (molekyle nedbrydning) processer, kaldes den "amfibolisk".

Krebs cyklusreaktioner

Cyklussen begynder med fusionen af ​​et acetylcoenzym A-molekyle med et oxaloacetatmolekyle. Denne union giver anledning til et molekyle med seks kulstof: citrat. Således frigøres coenzym A. Faktisk genanvendes det mange gange. Hvis der er for meget ATP i cellen, hæmmes dette trin.

Ovenstående reaktion kræver energi og opnår den fra at bryde den højenergibinding mellem acetylgruppen og coenzym A.

Citrat omdannes til cis aconitate og omdannes til isocitrat af enzymet aconitase. Det næste trin er omdannelsen af ​​isocitrat til alfa-ketoglutarat med dehydrogeneret isocitrat. Dette trin er relevant, fordi det fører til reduktion af NADH og frigiver kuldioxid.

Alpha-ketoglutarat omdannes til succinyl-coenzym A ved alpha-ketoglutarat-dehydrogenase, der bruger de samme cofaktorer som pyruvat-kinase. NADH genereres også i dette trin og inhiberes som det indledende trin af overskydende ATP.

Det næste produkt er succinat. I sin produktion forekommer dannelsen af ​​GTP. Succinat ændres til fumarat. Denne reaktion giver FADH. Fumaratet bliver til gengæld malat og til sidst oxaloacetat.

Elektrontransportkæden

Elektrontransportkæden sigter mod at tage elektronerne fra forbindelserne genereret i tidligere trin, såsom NADH og FADH ₂, som er på et højt energiniveau, og føre dem til et lavere energiniveau.

Dette fald i energi finder sted trin for trin, dvs. at det ikke forekommer pludseligt. Det består af en række trin, hvor redoxreaktioner forekommer.

De vigtigste komponenter i kæden er komplekser dannet af proteiner og enzymer koblet til cytokromer: heme-type metalloporphyriner.

Cytokromer er meget ens med hensyn til deres struktur, selvom hver enkelt har en særlighed, der giver den mulighed for at udføre sin specifikke funktion inden for kæden og synge elektroner på forskellige energiniveauer.

Bevægelsen af ​​elektroner gennem luftvejskæden til lavere niveauer producerer frigørelse af energi. Denne energi kan bruges i mitokondrierne til at syntetisere ATP i en proces, der er kendt som oxidativ phosphorylering.

Kemosmotisk kobling

I lang tid var mekanismen for ATP-dannelse i kæden en gåte, indtil biokemikeren Peter Mitchell foreslog kemosmotisk kobling.

I dette fænomen etableres en protongradient over den indre mitokondrielle membran. Energien indeholdt i dette system frigives og bruges til at syntetisere ATP.

Mængde af ATP dannet

Som vi så, dannes ATP ikke direkte i Krebs-cyklussen, men i elektrontransportkæden. For hver to elektroner, der går fra NADH til ilt, sker syntesen af ​​tre ATP-molekyler. Dette estimat kan variere noget afhængigt af den konsulterede litteratur.

Tilsvarende dannes to ATP-molekyler for hver to elektroner, der passerer fra FADH ₂.

Funktioner

Hovedfunktionen ved cellulær respiration er generering af energi i form af ATP for at være i stand til at dirigere den til funktionerne i cellen.

Både dyr og planter har brug for at udvinde den kemiske energi, der er indeholdt i de organiske molekyler, de bruger til mad. For grøntsager er disse molekyler de sukkerarter, som planten selv syntetiserer med brug af solenergi i den berømte fotosyntetiske proces.

Dyr er på den anden side ikke i stand til at syntetisere deres egen mad. Således forbruger heterotrofer mad i kosten - som for eksempel os. Oxidationsprocessen er ansvarlig for at udvinde energi fra fødevarer.

Vi bør ikke forveksle fotosynteses funktioner med respiration. Planter, som dyr, indånder også. Begge processer er komplementære og opretholder den levende verdens dynamik.

Referencer

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introduktion til cellebiologi. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Life on Earth. Pearson uddannelse.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologi. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Integrerede zoologiske principper. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckert dyrefysiologi. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Introduktion til mikrobiologi. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Funktionel histologi: tekst og atlas i farve. Harcourt.