КЛЕТЪЧНО ДИШАНЕ: ПРОЦЕС, ВИДОВЕ И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В клетъчното дишане е процес, който генерира енергия в на формата на АТР (аденозин трифосфат). По-късно тази енергия се насочва към други клетъчни процеси. По време на това явление молекулите се подлагат на окисляване и крайният акцептор на електроните в повечето случаи е неорганична молекула.

Характерът на крайния приемник на електрон зависи от вида на дишането на изследвания организъм. В аероби - като Homo sapiens - крайният акцептор на електрон е кислород. За разлика от тях, за анаеробните респиратори кислородът може да бъде токсичен. В последния случай крайният акцептор е неорганична молекула, различна от кислорода.

Източник: От Darekk2, от Wikimedia Commons

Аеробното дишане е обстойно проучено от биохимиците и се състои от два етапа: цикъл на Кребс и верига за транспорт на електрон.

В еукариотните организми всички машини, необходими за дишането, се намират вътре в митохондриите, както в митохондриалния матрикс, така и в мембранната система на тази органела.

Машината се състои от ензими, които катализират реакциите на процеса. Прокариотната линия се характеризира с липсата на органели; Поради тази причина дишането се случва в специфични региони на плазмената мембрана, които симулират среда, много подобна на тази на митохондриите.

терминология

В областта на физиологията терминът "дишане" има две дефиниции: белодробно дишане и клетъчно дишане. Когато използваме думата дъх в ежедневието, имаме предвид първия тип.

Белодробното дишане включва действието на вдишването и излизането, като този процес води до обмен на газове: кислород и въглероден диоксид. Правилният термин за това явление е "вентилация".

За разлика от това, клетъчното дишане се случва - както подсказва името му - вътре в клетките и е процесът, отговарящ за генерирането на енергия чрез електронно-транспортна верига. Този последен процес е този, който ще бъде разгледан в тази статия.

Къде се появява клетъчното дишане?

Местоположение на дишането в еукариоти

Митохондриите

Клетъчното дишане се извършва в сложна органела, наречена митохондрия. В структурно отношение митохондриите са широки 1,5 микрона и дълги от 2 до 8 микрона. Те се характеризират с това, че имат свой генетичен материал и чрез разделяне чрез бинарно делене - вестигиални характеристики на техния ендосимбиотичен произход.

Те имат две мембрани, гладка и вътрешна с гънки, които образуват хребетите. Колкото по-активни са митохондриите, толкова повече хребети има.

Вътрешността на митохондриона се нарича митохондриална матрица. В това отделение се намират ензимите, коензимите, водата и фосфатите, необходими за дихателни реакции.

Външната мембрана позволява преминаването на повечето малки молекули. Въпреки това, вътрешната мембрана всъщност ограничава преминаването през много специфични транспортери. Пропускливостта на тази структура играе основна роля в производството на АТФ.

Брой на митохондриите

Ензимите и другите компоненти, необходими за клетъчното дишане, се намират закотвени в мембраните и свободни в митохондриалната матрица.

Следователно клетките, които се нуждаят от по-голямо количество енергия, се характеризират с наличието на голям брой митохондрии, за разлика от клетките, чиято нужда от енергия е по-ниска.

Например чернодробните клетки имат средно 2500 митохондрии, докато мускулна клетка (много метаболитно активна) съдържа много по-голям брой, а митохондриите от този клетъчен тип са по-големи.

В допълнение, те са разположени в специфични региони, където е необходима енергия, например заобикаляйки жълтиците на спермата.

Местоположение на прокариотно дишане

Логично е, че прокариотните организми трябва да дишат и те нямат митохондрии - нито сложни органели, характерни за еукариотите. Поради тази причина дихателният процес протича при малки инвагинации на плазмената мембрана, аналогично на това как протича в митохондриите.

Видове

Има два основни типа дишане, в зависимост от молекулата, която е действала като краен акцептор на електроните. При аеробно дишане акцепторът е кислород, докато в анаеробното е неорганична молекула - въпреки че в няколко специфични случая акцепторът е органична молекула. Ще опишем подробно всеки от тях по-долу:

Аеробно дишане

В аеробните дихателни организми окончателният акцептор за електрони е кислородът. Стъпките, които се случват, се разделят на цикъла на Кребс и електронната транспортна верига.

Подробното обяснение на реакциите, които протичат по тези биохимични пътища, ще бъде разработено в следващия раздел.

Анеробно дишане

Крайният акцептор се състои от молекула, различна от кислорода. Количеството АТФ, генерирано от анаеробно дишане, зависи от няколко фактора, включително от изследвания организъм и използвания път.

Въпреки това, производството на енергия винаги е по-голямо при аеробно дишане, тъй като цикълът на Кребс работи само частично и не всички молекули на транспортера във веригата участват в дишането.

Поради тази причина растежът и развитието на анаеробните индивиди е значително по-малък от аеробните.

Примери за анаеробни организми

В някои организми кислородът е токсичен и те се наричат ​​строги анаероби. Най-известният пример е този на бактерията, която причинява тетанус и ботулизъм: Clostridium.

Освен това има и други организми, които могат да редуват аеробно и анаеробно дишане, наречени факултативни анаероби. С други думи, те използват кислород, когато им е удобно и при липса на такъв прибягват до анаеробно дишане. Например, добре познатата бактерия Escherichia coli притежава този метаболизъм.

Някои бактерии могат да използват нитратния йон (NO ₃ ^-) като краен акцептор на електрон, като родовете Pseudomonas и Bacillus. Споменатият йон може да бъде редуциран до нитритен йон, азотен оксид или азотен газ.

В други случаи крайният акцептор се състои от сулфатен йон (SO ₄ ^2-), който поражда сероводород и използва карбоната за образуване на метан. Родът на бактерии Desulfovibrio е пример за този тип акцептор.

Това приемане на електрони в нитратни и сулфатни молекули е от решаващо значение в биогеохимичните цикли на тези съединения - азот и сяра.

процес

Гликолизата е път преди клетъчното дишане. Започва с молекула глюкоза, а крайният продукт е пируват, три въглеродна молекула. Гликолизата се извършва в цитоплазмата на клетката. Тази молекула трябва да може да навлезе в митохондриите, за да продължи нейното разграждане.

Пируватът може да дифундира чрез градиенти на концентрацията в органелата, през порите на мембраната. Крайната дестинация ще бъде матрицата на митохондриите.

Преди да влезе в първия етап на клетъчното дишане, молекулата пируват претърпява определени модификации.

Първо, той реагира с молекула, наречена коензим А. Всеки пируват се разцепва на въглероден диоксид и ацетил групата, която се свързва с коензим А, като поражда ацеил коензим А комплекс.

При тази реакция два електрона и водороден йон се прехвърлят в NADP ⁺, като се получава NADH и той се катализира от ензимния комплекс пируват дехидрогеназа. Реакцията изисква серия от кофактори.

След тази модификация започват двата етапа в рамките на дишането: цикъл на Кребс и електронно-транспортната верига.

Цикълът на Кребс

Цикълът на Кребс е една от най-важните циклични реакции в биохимията. В литературата е известен също като цикъл на лимонена киселина или цикъл на трикарбоксилна киселина (TCA).

Той е кръстен на своя откривател: немския биохимик Ханс Кребс. През 1953 г. Кребс е удостоен с Нобелова награда за това откритие, което бележи областта на биохимията.

Целта на цикъла е постепенното освобождаване на енергията, съдържаща се в ацетил коензим А. Състои се от поредица от реакции на окисляване и редукция, които пренасят енергия в различни молекули, главно NAD ⁺.

За всеки две молекули ацетил коензим А, които влизат в цикъла, се отделят четири молекули въглероден диоксид, шест молекули от НАДН и две от FADH ₂. CO ₂ се отделя в атмосферата като отпадни вещества от процеса. GTP също се генерира.

Тъй като този път участва както в анаболни (синтез на молекули), така и в катаболни (разграждане на молекулата) процеси, той се нарича "амфиболичен".

Реакции на цикъла на Кребс

Цикълът започва със сливането на ацетил коензим A молекула с молекула оксалоацетат. Този съюз поражда шест въглеродна молекула: цитрат. Така се освобождава коензим А. Всъщност той се използва многократно. Ако има твърде много ATP в клетката, тази стъпка се инхибира.

Горната реакция изисква енергия и я получава от разрушаване на високоенергийната връзка между ацетил групата и коензим А.

Цитратът се преобразува в цис аконитат и се превръща в изоцитрат от ензима аконитаза. Следващата стъпка е превръщането на изоцитрат в алфа кетоглутарат чрез дехидрогениран изоцитрат. Този етап е подходящ, тъй като води до намаляване на NADH и отделя въглероден диоксид.

Алфа кетоглутарат се превръща в сукцинил коензим А чрез алфа кетоглутарат дехидрогеназа, който използва същите кофактори като пируваткиназата. NADH също се генерира в този етап и като начален етап се инхибира от излишък на АТФ.

Следващият продукт е сукцинат. При неговото производство възниква образуването на GTP. Сукцинатът се променя на фумарат. Тази реакция води до FADH. Фумаратът от своя страна става малат и накрая оксалоацетат.

Електронната транспортна верига

Целта на електроннотранспортната верига е да вземе електроните от съединенията, генерирани в предишни етапи, като NADH и FADH ₂, които са на високо енергийно ниво, и да ги задвижи до по-ниско енергийно ниво.

Това намаляване на енергията се извършва стъпка по стъпка, тоест не се случва рязко. Състои се от поредица от стъпки, при които се появяват редокс-реакции.

Основните компоненти на веригата са комплекси, образувани от протеини и ензими, съчетани с цитохроми: металопорфирини от типа на хема.

Цитохромите са доста сходни по своята структура, въпреки че всеки от тях има особеност, която му позволява да изпълнява специфичната си функция във веригата, пеейки електрони на различни енергийни нива.

Движението на електрони през дихателната верига към по-ниски нива, произвежда освобождаването на енергия. Тази енергия може да се използва в митохондриите за синтез на АТФ в процес, известен като окислително фосфорилиране.

Хемосмотично свързване

Дълго време механизмът на образуване на АТФ във веригата беше енигма, докато биохимикът Питър Мичъл не предложи химиомотично свързване.

При това явление се установява протонен градиент през вътрешната митохондриална мембрана. Енергията, съдържаща се в тази система, се освобождава и се използва за синтезиране на АТФ.

Формирана сума на ATP

Както видяхме, ATP не се формира директно в цикъла на Кребс, а в електронно-транспортната верига. За всеки два електрона, които преминават от NADH към кислород, се получава синтеза на три молекули АТФ. Тази оценка може да варира до известна степен в зависимост от консултираната литература.

По същия начин за всеки два електрона, които преминават от FADH ₂, се образуват две молекули АТФ.

Характеристика

Основната функция на клетъчното дишане е генерирането на енергия под формата на АТФ, за да може да го насочи към функциите на клетката.

И животните, и растенията трябва да извличат химическата енергия, съдържаща се в органичните молекули, които използват за храна. В случая със зеленчуците тези молекули са захарите, които растението само синтезира с използването на слънчева енергия в известния фотосинтетичен процес.

От друга страна, животните не са в състояние да синтезират собствената си храна. Така хетеротрофите консумират храна в диетата - като нас, например. Процесът на окисляване е отговорен за извличането на енергия от храната.

Не трябва да бъркаме функциите на фотосинтезата с тези на дишането. Растенията, като животните, също дишат. И двата процеса се допълват и поддържат динамиката на живия свят.

Препратки

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Въведение в клетъчната биология. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Биология: Животът на Земята. Pearson образование.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Къртис. Биология. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Интегрирани принципи на зоологията. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Физиология на животните на Екерт. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Въведение в микробиологията. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Функционална хистология: текст и атлас в цвят. Харкорт.