Процесс клеточного дыхания, виды и функции



клеточное дыхание это процесс, который генерирует энергию в форме АТФ (аденозинтрифосфат). Впоследствии эта энергия направляется на другие клеточные процессы. Во время этого явления молекулы подвергаются окислению, и конечный акцептор электронов в большинстве случаев является неорганической молекулой..

Природа конечного акцептора электронов зависит от типа дыхания изучаемого организма. В аэробах, таких как Homo Sapiens, конечным акцептором электронов является кислород. Напротив, для людей с анаэробным дыханием кислород может быть токсичным. В этом последнем случае конечный акцептор представляет собой неорганическую молекулу, отличную от кислорода.

Аэробное дыхание широко изучалось биохимиками и состоит из двух этапов: цикла Кребса и цепи переноса электронов..

У эукариотических организмов все механизмы, необходимые для дыхания, находятся внутри митохондрий, как в митохондриальном матриксе, так и в мембранной системе этой органеллы..

Механизм состоит из ферментов, которые катализируют реакции процесса. Прокариотическое происхождение характеризуется отсутствием органелл; По этой причине дыхание происходит в определенных областях плазматической мембраны, которые имитируют среду, очень похожую на среду митохондрий..

индекс

  • 1 Терминология
  • 2 Где происходит клеточное дыхание??
    • 2.1 Местоположение дыхания у эукариот
    • 2.2 Количество митохондрий
    • 2.3 Местоположение прокариотического дыхания
  • 3 типа
    • 3.1 Аэробное дыхание
    • 3.2 Аэробное дыхание
    • 3.3 Примеры анаэробных организмов
  • 4 Процесс
    • 4.1 Цикл Кребса
    • 4.2 Реакции цикла Кребса
    • 4.3. Электронная транспортная цепь
    • 4.4 Хемосмотическая связь
    • 4.5 Количество образованного АТФ
  • 5 функций
  • 6 Ссылки

терминология

В области физиологии термин «дыхание» имеет два определения: легочное дыхание и клеточное дыхание. Когда мы используем слово дыхание в повседневной жизни, мы имеем в виду первый тип.

Легкое дыхание включает в себя действие вдохновения и выдоха, этот процесс приводит к обмену газами: кислородом и углекислым газом. Правильный термин для этого явления - «вентиляция».

Напротив, клеточное дыхание происходит - как следует из названия - внутри клеток и является процессом, ответственным за выработку энергии через цепь транспорта электронов. Этот последний процесс будет обсуждаться в этой статье..

Где происходит клеточное дыхание??

Расположение дыхания у эукариот

Клеточное дыхание происходит в сложной органелле, называемой митохондриями. Конструктивно митохондрии имеют ширину 1,5 мкм и длину от 2 до 8. Они характеризуются наличием собственного генетического материала и делением на бинарное деление - характерные признаки их эндосимбиотического происхождения..

У них есть две мембраны, одна гладкая и одна внутренняя со складками, которые образуют гребни. Чем активнее митохондрия, тем больше у нее гребней.

Внутренняя часть митохондрий называется митохондриальной матрицей. В этом отделении находятся ферменты, коферменты, вода и фосфаты, необходимые для дыхательных реакций..

Внешняя мембрана позволяет проходить большинству маленьких молекул. Тем не менее, внутренняя мембрана является той, которая фактически ограничивает проход через очень специфические транспортеры. Проницаемость этой структуры играет фундаментальную роль в производстве АТФ.

Количество митохондрий

Ферменты и другие компоненты, необходимые для клеточного дыхания, находятся на якорях в мембранах и свободны в митохондриальном матриксе..

Следовательно, клетки, которые требуют большего количества энергии, характеризуются наличием большого количества митохондрий, в отличие от клеток, чья потребность в энергии ниже.

Например, клетки печени имеют в среднем 2500 митохондрий, в то время как мышечная клетка (очень метаболически активная) содержит гораздо большее количество, и митохондрии этого типа клеток больше..

Кроме того, они расположены в определенных областях, где требуется энергия, например, вокруг жгутика спермы.

Расположение прокариотического дыхания

Логично, что прокариотические организмы должны дышать, и у них нет митохондрий - ни сложных органелл, характерных для эукариот. По этой причине дыхательный процесс происходит при небольших инвагинациях плазматической мембраны, аналогично митохондриям..

тип

Существует два основных типа дыхания, в зависимости от молекулы, которая действовала в качестве конечного акцептора электронов. При аэробном дыхании акцептором является кислород, а при анаэробном дыхании это неорганическая молекула, хотя в некоторых редких случаях акцептором является органическая молекула. Далее мы подробно опишем каждый из них:

Аэробное дыхание

В организмах с аэробным дыханием конечным акцептором электронов является кислород. Происходящие шаги делятся на цикл Кребса и цепь переноса электронов..

Подробное объяснение реакций, происходящих в этих биохимических путях, будет дано в следующем разделе..

Анехобное дыхание

Конечный акцептор состоит из молекулы, отличной от кислорода. Количество АТФ, генерируемого анаэробным дыханием, зависит от нескольких факторов, в том числе от исследуемого организма и используемого пути..

Тем не менее, производство энергии всегда больше при аэробном дыхании, поскольку цикл Кребса работает только частично, и не все молекулы переносчика в цепи участвуют в дыхании

По этой причине рост и развитие анаэробных индивидуумов значительно ниже, чем аэробика..

Примеры анаэробных организмов

В некоторых организмах кислород токсичен и называется строгими анаэробами. Самый известный пример - бактерия, вызывающая столбняк и ботулизм: Clostridium.

Кроме того, существуют другие организмы, которые могут чередовать аэробное и анаэробное дыхание, называемые факультативными анаэробами. Другими словами, они используют кислород, когда им это удобно, а при его отсутствии они прибегают к анаэробному дыханию. Например, известная бактерия Кишечная палочка имеет этот метаболизм.

Некоторые бактерии могут использовать нитрат-ион (НЕТ3-) в качестве конечного акцептора электронов, таких как жанры Pseudomonas и бацилла. Этот ион может быть восстановлен до нитрит-иона, закиси азота или газообразного азота..

В других случаях конечный акцептор состоит из сульфат-иона (SO42-) который приводит к образованию сероводорода и который использует карбонат для образования метана. Род бактерий Desulfovibrio пример акцептора такого типа.

Этот прием электронов в молекулах нитратов и сульфатов имеет решающее значение в биогеохимических циклах этих соединений - азота и серы..

процесс

Гликолиз - это предыдущий путь к клеточному дыханию. Все начинается с молекулы глюкозы, а конечным продуктом является пируват, трехуглеродная молекула. Гликолиз происходит в цитоплазме клетки. Эта молекула должна быть в состоянии проникнуть в митохондрии, чтобы продолжить свою деградацию.

Пируват может диффундировать через градиенты концентрации в органеллу через поры мембраны. Конечным пунктом назначения будет матрица митохондрий.

Прежде чем войти в первую стадию клеточного дыхания, молекула пирувата претерпевает определенные модификации.

Во-первых, он реагирует с молекулой, называемой коэнзимом А. Каждый пируват расщепляется на диоксид углерода и на ацетильную группу, которая связывается с коферментом А, образуя комплекс ацетил-кофермент А..

В этой реакции два электрона и один ион водорода переносятся в НАДФ+, образует НАДН и катализируется ферментативным комплексом пируватдегидрогеназы. Реакция нуждается в серии кофакторов.

После этой модификации начинаются две стадии дыхания: цикл Кребса и цепь переноса электронов..

Цикл Кребса

Цикл Кребса является одной из важнейших циклических реакций в биохимии. Он также известен в литературе как цикл лимонной кислоты или цикл трикарбоновых кислот (ТСА).

Он получил свое имя в честь своего первооткрывателя: немецкого биохимика Ганса Кребса. В 1953 году Кребс был удостоен Нобелевской премии благодаря этому открытию, которое обозначило область биохимии.

Целью цикла является постепенное выделение энергии, содержащейся в ацетил-коферменте A. Он состоит из серии реакций окисления и восстановления, которые передают энергию различным молекулам, главным образом NAD.+.

На каждые две молекулы ацетил-кофермента А, которые входят в цикл, высвобождаются четыре молекулы диоксида углерода, образуются шесть молекул NADH и две молекулы FADH.2. КО2 Он выбрасывается в атмосферу как отходы процесса. GTP также генерируется.

Поскольку этот путь участвует как в анаболическом (синтез молекулы), так и в катаболическом (разрушение молекулы) процессе, он называется «амфиболическим».

Реакции цикла Кребса

Цикл начинается со слияния молекулы ацетил-кофермента А с молекулой оксалоацетата. Этот союз приводит к шестиуглеродной молекуле: цитрат. Таким образом, высвобождается кофермент А. На самом деле он используется много раз. Если в клетке много АТФ, этот шаг блокируется.

Вышеуказанная реакция требует энергии и получается из разрыва высокоэнергетической связи между ацетильной группой и коферментом А.

Цитрат переходит в цис-аконитато и происходит с изоцитратом с помощью фермента аконитаса. Следующим этапом является превращение изоцитрата в альфа-кетоглутарат дегидрированным изоцитратом. Эта стадия актуальна, потому что она приводит к снижению NADH и высвобождает углекислый газ.

Альфа-кетоглутарат превращается в сукцинил-кофермент А с помощью альфа-кетоглутаратдегидрогеназы, которая использует те же кофакторы, что и пируваткиназа. На этом этапе также генерируется NADH, и на начальном этапе он ингибируется избытком АТФ..

Следующий продукт - сукцинат. При его производстве происходит образование ГТФ. Сукцинат переходит в фумарат. Эта реакция дает FADH. Фумарат, в свою очередь, превращается в малат и, наконец, оксалацетат.

Цепочка переноса электронов

Цепочка переноса электронов предназначена для извлечения электронов из соединений, созданных на предыдущих этапах, таких как NADH и FADH.2, которые находятся на высоком уровне энергии, и привести их к более низкому уровню энергии.

Это снижение энергии происходит шаг за шагом, то есть не происходит внезапно. Он состоит из ряда этапов, где происходят окислительно-восстановительные реакции.

Основными компонентами цепи являются комплексы, образованные белками и ферментами, связанными с цитохромами: металлопорфирины гемового типа..

Цитохромы очень похожи по своей структуре, хотя у каждого есть особенность, которая позволяет ему выполнять свою специфическую функцию в цепи, поющей электроны на разных уровнях энергии..

Смещение электронов через дыхательную цепь к более низким уровням производит выброс энергии. Эта энергия может быть использована в митохондриях для синтеза АТФ в процессе, известном как окислительное фосфорилирование.

Хемосмотическая связь

Долгое время механизм образования АТФ в цепи оставался загадкой, пока биохимик Питер Митчелл не предложил хемосмотическое соединение.

В этом явлении протонный градиент устанавливается через внутреннюю митохондриальную мембрану. Энергия, содержащаяся в этой системе, высвобождается и используется для синтеза АТФ..

Количество образовавшегося АТФ

Как мы видели, АТФ формируется не непосредственно в цикле Кребса, а в цепи переноса электронов. На каждые два электрона, которые переходят из НАДН в кислород, происходит синтез трех молекул АТФ. Эта оценка может немного отличаться в зависимости от литературы.

Точно так же для каждых двух электронов, которые проходят от FADH2, две молекулы АТФ образуются.

функции

Основной функцией клеточного дыхания является генерация энергии в форме АТФ, чтобы направить ее на функции клетки.

И животные, и растения требуют извлечения химической энергии, содержащейся в органических молекулах, которые они используют в качестве пищи. В случае овощей эти молекулы являются сахарами, которые синтезирует то же растение с использованием солнечной энергии в знаменитом процессе фотосинтеза..

Животные, с другой стороны, не способны синтезировать свою пищу. Таким образом, гетеротрофы потребляют пищу в рационе - как, например, мы. Процесс окисления отвечает за извлечение энергии из пищи.

Мы не должны путать функции фотосинтеза с функциями дыхания. Растения, как и животные, тоже дышат. Оба процесса дополняют друг друга и поддерживают динамику живого мира..

ссылки

  1. Alberts, B. & Bray, D. (2006). Введение в клеточную биологию. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G. & Byers, B.E. (2003). Биология: Жизнь на Земле. Образование Пирсона.
  3. Кертис Х. & Шнек А. (2008). Кертис. биология. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C.P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2007). Интегрированные принципы зоологии. McGraw-Hill.
  5. Рэндалл Д., Бурггрен В., Френч К. и Экерт Р. (2002). Эккерт Физиология животных. Macmillan.
  6. Tortora, G.J., Funke, B.R. & Case, C.L. (2007). Введение в микробиологию. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J.W., Lowe, J.S., Stevens, A. & Wheater, P.R. (2000). Функциональная гистология: текстовый и цветной атлас. Харкорт.