АЕРОБНО ДИШАНЕ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ЕТАПИ И ОРГАНИЗМИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В аеробни дишането или аеробно е биологичен процес, който включва получаване на енергия от органични молекули - главно глюкоза - от редица окислителни реакции, когато крайният акцептор на електрони е кислород.

Този процес присъства в огромното мнозинство органични същества, по-специално еукариоти. Всички животни, растения и гъби дишат аеробно. Освен това някои бактерии проявяват и аеробен метаболизъм.

При еукариотите машината за клетъчно дишане се намира в митохондриите.

Източник: Национален институт за изследване на човешкия геном (NHGRI) от Bethesda, MD, САЩ, чрез Wikimedia Commons

По принцип процесът на получаване на енергия от молекулата на глюкозата е разделен на гликолиза (тази стъпка е често срещана както в аеробния, така и в анаеробния път), в цикъла на Кребс и в електронната транспортна верига.

Концепцията за аеробно дишане е противоположна на анаеробното дишане. В последния краен акцептор на електроните е друго неорганично вещество, различно от кислорода. Характерно е за някои прокариоти.

Какво е кислород?

Преди да обсъдим процеса на аеробно дишане, е необходимо да се знаят някои аспекти на кислородната молекула.

Това е химичен елемент, представен в периодичната таблица с буквата О и атомното число 8. При стандартни условия на температура и налягане, кислородът има тенденция да се свързва по двойки, като се получава молекулата на диоксиген.

Този газ, съставен от два кислородни атома, няма цвят, мирис или вкус и е представен с формулата O ₂. В атмосферата тя е виден компонент и е необходима за поддържане на повечето форми на живот на земята.

Благодарение на газообразния характер на кислорода, молекулата е в състояние свободно да пресича клетъчните мембрани - както външната мембрана, която отделя клетката от извънклетъчната среда, така и мембраните на подклетъчните отделения, включително митохондриите.

Дихателни характеристики

Клетките използват молекулите, които поглъщаме чрез диетата си, като вид дихателно „гориво“.

Клетъчното дишане е процесът, генериращ енергия, под формата на ATP молекули, при който молекулите, които трябва да бъдат разградени, се подлагат на окисляване и крайният акцептор на електроните в повечето случаи е неорганична молекула.

Основна характеристика, която позволява да се осъществят дихателни процеси, е наличието на електронна транспортна верига. При аеробно дишане крайният акцептор за електрони е молекулата на кислорода.

При нормални условия тези "горива" са въглехидрати или въглехидрати и мазнини или липиди. Тъй като тялото преминава в несигурни условия поради липса на храна, той прибягва до употребата на протеини, за да се опита да задоволи своите енергийни нужди.

Думата дишане е част от нашия речник в ежедневието. Актът на поемане на въздух в белите ни дробове, в непрекъснати цикли на издишвания и вдишвания, ние наричаме дишане.

Въпреки това, във формалния контекст на науките за живота, подобно действие се обозначава с термина вентилация. По този начин терминът дишане се използва за означаване на процеси, които протичат на клетъчно ниво.

Процеси (етапи)

Етапите на аеробно дишане включват необходимите стъпки за извличане на енергия от органични молекули - в този случай ще опишем случая с молекулата на глюкозата като дихателно гориво - докато достигне кислородния акцептор.

Този сложен метаболитен път се разделя на гликолиза, цикъл на Кребс и електронно-транспортна верига:

гликолиза

Фигура 1: гликолиза срещу глюконеогенеза. Реакции и участващи ензими.

Първата стъпка в разграждането на глюкозния мономер е гликолизата, наричана още гликолиза. Тази стъпка не изисква кислород директно и той присъства практически във всички живи същества.

Целта на този метаболитен път е разцепването на глюкозата в две молекули пирувинова киселина, получаване на две молекули на нетната енергия (АТФ) и редуциране на две молекули от NAD ⁺.

При наличие на кислород, пътят може да продължи към цикъла на Кребс и електронно-транспортната верига. В случай, че липсва кислород, молекулите биха следвали пътя на ферментацията. С други думи, гликолизата е общ метаболитен път за аеробно и анаеробно дишане.

Преди цикъла на Кребс трябва да се случи окислително декарбоксилиране на пирувинова киселина. Тази стъпка е медиирана от много важен ензимен комплекс, наречен пируват дехидрогеназа, който осъществява гореспоменатата реакция.

Така пируватът се превръща в ацетилов радикал, който впоследствие се улавя от коензим А, който е отговорен за транспортирането му до цикъла на Кребс.

Цикъл на Кребс

Цикълът на Кребс, известен още като цикъл на лимонена киселина или цикъл на трикарбоксилна киселина, се състои от поредица от биохимични реакции, катализирани от специфични ензими, които се стремят постепенно да освободят химическата енергия, съхранявана в ацетил коензим А.

Това е път, който напълно окислява молекулата пируват и се среща в матрицата на митохондриите.

Този цикъл се основава на поредица от реакции на окисляване и редукция, които прехвърлят потенциалната енергия под формата на електрони на елементи, които ги приемат, по-специално молекулата NAD ⁺.

Обобщение на цикъла на Кребс

Всяка молекула пировинова киселина се разгражда до въглероден диоксид и дву-въглеродна молекула, известна като ацетилова група. Със свързването към коензим А (споменат в предишния раздел) се образува ацетил коензим А комплекс.

Двата въглерода на пировиновата киселина влизат в цикъла, кондензират се с оксалоацетат и образуват шест-въглеродна цитратна молекула. Така възникват реакции на окислителна стъпка. Цитратът се връща към оксалоацетат с теоретично получаване на 2 мола въглероден диоксид, 3 мола NADH, 1 на FADH ₂ и 1 мол GTP.

Тъй като при гликолизата се образуват две молекули пируват, една молекула глюкоза включва две обороти на цикъла на Кребс.

Електронна транспортна верига

Електронната транспортна верига се състои от последователност от протеини, които имат способността да провеждат реакции на окисляване и редукция.

Преминаването на електрони през тези протеинови комплекси води до постепенно освобождаване на енергия, която впоследствие се използва при генерирането на АТФ чрез химиоосмотици. Важното е, че последната верижна реакция е от необратим тип.

В еукариотните организми, които имат субклетъчни отделения, елементите на транспортната верига са закотвени към мембраната на митохондриите. При прокариотите, които нямат тези отделения, елементите на веригата са разположени в плазмената мембрана на клетката.

Реакциите на тази верига водят до образуването на АТФ, чрез енергията, получена чрез изместване на водорода през транспортьорите, до достигане на крайния акцептор: кислород, реакция, която произвежда вода.

Класове молекули-носители

Веригата е съставена от три варианта на транспортьори. Първият клас са флавопротеините, характеризиращи се с присъствието на флавин. Този тип транспортер може да извърши два вида реакции, както редукция, така и окисление.

Вторият вид е съставен от цитохроми. Тези протеини имат хема група (като тази на хемоглобина), която може да представи различни окислителни състояния.

Последният клас преносител е убихинон, известен още като коензим Q. Тези молекули не са протеинови в природата.

Организми с аеробно дишане

Повечето живи организми имат аеробно дишане. Характерно е за еукариотични организми (същества с истинско ядро ​​в клетките си, ограничени от мембрана). Всички животни, растения и гъби дишат аеробно.

Животните и гъбичките са хетеротрофни организми, което означава, че „горивото“, което ще се използва в метаболитния път на дишането, трябва да се изразходва активно в диетата. За разлика от растенията, които имат способността да произвеждат собствена храна чрез фотосинтеза.

Някои родове прокариоти също се нуждаят от кислород за дишането си. По-конкретно, има строги аеробни бактерии - тоест те растат само в среда, богата на кислород, като псевдомонас.

Други родове бактерии имат способността да променят метаболизма си от аеробни в анаеробни въз основа на условията на околната среда, като салмонелите. При прокариотите важността на тяхната класификация е аеробни или анаеробни.

Разлики от анаеробното дишане

Обратният процес на аеробното дишане е анаеробният режим. Най-очевидната разлика между двете е използването на кислород като краен акцептор на електрон. Анаеробното дишане използва други неорганични молекули като акцептори.

Освен това при анаеробното дишане крайният продукт на реакциите е молекула, която все още има потенциал да продължи да се окислява. Например млечна киселина, образувана в мускулите по време на ферментацията. За разлика от тях, крайните продукти на аеробното дишане са въглеродният диоксид и водата.

Има и разлики от енергийна гледна точка. В анаеробния път се получават само две ATP молекули (съответстващи на гликолитичния път), докато при аеробно дишане крайният продукт обикновено е около 38 ATP молекули - което е съществена разлика.

Препратки

1. Campbell, MK, & Farrell, SO (2011). Биохимия. Шесто издание. Thomson. Брукс / Коул.
2. Къртис, Х. (2006). Покана за биология. Шесто издание. Буенос Айрес: Панамерикански медицински.
3. Estrada, E & Aranzábal, M. (2002). Атлас на гръбначната хистология. Национален автономен университет в Мексико. Страница 173.
4. Хол, Дж. (2011). Договор за медицинска физиология. Ню Йорк: Elsevier Health Sciences.
5. Хариша, С. (2005). Въведение в практическата биотехнология. Ню Делхи: Защитна стена.
6. Хил, Р. (2006). Физиология на животните. Мадрид: Панамерикански медицински.
7. Iglesias, B., Martín, M. & Prieto, J. (2007). Основи на физиологията. Мадрид: Тебар.
8. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Биохимия: текст и атлас. Panamerican Medical Ed.
9. Vasudevan, D. & Sreekumari S. (2012). Текст по биохимия за студенти по медицина. Шесто издание. Мексико: JP Medical Ltd.