Šūnu elpošanas process, veidi un funkcijas



The šūnu elpošana tas ir process, kas ģenerē enerģiju ATP (adenozīna trifosfāts) formā. Pēc tam šī enerģija tiek virzīta uz citiem šūnu procesiem. Šīs parādības laikā molekulas oksidējas un galīgais elektronu akceptors vairumā gadījumu ir neorganiska molekula..

Galīgā elektronu akceptora raksturs ir atkarīgs no pētāmā organisma elpošanas veida. Aerobos - tāpat kā Homo sapiens - galīgais elektronu akcents ir skābeklis. Turpretī cilvēkiem ar anaerobu elpošanu, skābeklis var būt toksisks. Šajā pēdējā gadījumā galīgais akcents ir neorganiska molekula, kas atšķiras no skābekļa.

Biochemisti ir plaši pētījuši aerobo elpošanu un sastāv no diviem posmiem: Krebsa cikla un elektronu transporta ķēdes..

Eukariotiskajos organismos visas elpošanas nepieciešamās mašīnas ir mitohondriju iekšienē, gan mitohondriju matricā, gan šīs organeles membrānas sistēmā..

Mašīnas sastāv no fermentiem, kas katalizē procesa reakcijas. Prokariotisko ciltsrakstu raksturo organellu trūkums; Šī iemesla dēļ elpošana notiek konkrētos plazmas membrānas apgabalos, kas imitē vidi, kas ir ļoti līdzīga mitohondriju videi..

Indekss

  • 1 Terminoloģija
  • 2 Kur notiek elpceļu elpošana??
    • 2.1 Elpošanas vieta eukariotos
    • 2.2. Mitohondriju skaits
    • 2.3. Prokariotiskās elpošanas vieta
  • 3 veidi
    • 3.1. Aerobā elpošana
    • 3.2. Anerbālā elpošana
    • 3.3. Anaerobo organismu piemēri
  • 4 Process
    • 4.1. Krebsa cikls
    • 4.2 Krebsa cikla reakcijas
    • 4.3 Elektronu transportēšanas ķēde
    • 4.4 Ķīmiskā savienošana
    • 4.5. Izveidotā ATP daudzums
  • 5 Funkcijas
  • 6 Atsauces

Terminoloģija

Fizioloģijas jomā terminam "elpošana" ir divas definīcijas: plaušu elpošana un šūnu elpošana. Kad mēs ikdienā lietojam vārdu elpošana, mēs atsaucamies uz pirmo veidu.

Plaušu elpošana ir saistīta ar iedvesmojošu un izbeidzošu darbību, kas rada gāzes apmaiņu: skābekli un oglekļa dioksīdu. Pareizais termins šai parādībai ir "ventilācija".

Savukārt šūnu elpošana notiek - kā norāda nosaukums - šūnās, un tas ir process, kas atbild par enerģijas ražošanu, izmantojot elektronu transportēšanas ķēdi. Šis pēdējais process ir tas, kas tiks apspriests šajā rakstā.

Kur notiek elpceļu elpošana??

Elpošanas vieta eukariotos

Šūnu elpošana notiek kompleksā organelē, ko sauc par mitohondrijām. Strukturāli mitohondriji ir 1,5 mikrometri plati un 2-8 gari. Viņiem ir raksturīga sava ģenētiskā materiāla un dalīšanās ar bināro šķelšanos - to endosimbiotisko izcelsmi..

Tām ir divas membrānas, no kurām viena ir gluda un viena iekšēja ar krokām, kas veido kores. Jo aktīvāki ir mitohondriji, jo vairāk tā ir.

Mitohondriju interjeru sauc par mitohondriju matricu. Šajā nodalījumā ir fermenti, koenzīmi, ūdens un fosfāti, kas nepieciešami elpošanas reakcijām.

Ārējā membrāna ļauj iziet lielāko daļu mazo molekulu. Tomēr iekšējā membrāna ir tā, kas faktiski ierobežo pāreju caur ļoti specifiskiem pārvadātājiem. Šīs struktūras caurlaidība ir būtiska ATP ražošanā.

Mitohondriju skaits

Enzīmus un citas sastāvdaļas, kas nepieciešamas šūnu elpināšanai, konstatē, ka tās ir nostiprinātas membrānās un brīvas mitohondriju matricā..

Tāpēc šūnām, kurām nepieciešams lielāks enerģijas daudzums, ir raksturīgs liels mitohondriju skaits, atšķirībā no šūnām, kuru enerģijas patēriņš ir zemāks..

Piemēram, aknu šūnās vidēji ir 2500 mitohondriju, savukārt muskuļu šūnā (ļoti metaboliski aktīvs) ir daudz lielāks skaits, un šī šūnas tipa mitohondriji ir lielāki..

Turklāt tie atrodas konkrētos reģionos, kur nepieciešama enerģija, piemēram, ap spermas karogu.

Prokariotiskās elpošanas vieta

Loģiski, ka prokariotiskiem organismiem ir nepieciešams elpot, un tiem nav mitohondriju - ne arī kompleksu organisko lelles, kas raksturīgas eukariotēm. Šī iemesla dēļ elpošanas process notiek nelielās plazmas membrānas invaginācijās, līdzīgi kā mitohondriji..

Veidi

Atkarībā no molekulas, kas darbojās kā elektronu galīgais akcents, ir divi elpošanas pamatveidi. Aerobajā elpināšanā akceptors ir skābeklis, bet anaerobajā elpināšanā tas ir neorganiska molekula - lai gan dažos retos gadījumos akcents ir organiska molekula. Tālāk mēs sīkāk aprakstīsim katru no tiem:

Aerobā elpošana

Organismos ar aerobo elpošanu galīgais elektronu akcents ir skābeklis. Notikumi ir sadalīti Krebsa cikla un elektronu transporta ķēdē.

Detalizēts skaidrojums par reakcijām, kas notiek šajos bioķīmiskos ceļos, tiks izstrādāts nākamajā sadaļā.

Anechobic elpošana

Galīgais akceptors sastāv no molekulas, kas nav skābeklis. ATP daudzums, ko rada anaerobā elpošana, ir atkarīgs no vairākiem faktoriem, ieskaitot pētāmo organismu un izmantoto ceļu..

Tomēr aerobās elpošanas laikā enerģijas ražošana vienmēr ir lielāka, jo Krebsa cikls darbojas tikai daļēji, un ne visas ķēdes pārvadātāju molekulas piedalās elpošanas procesā.

Šī iemesla dēļ anaerobo personu augšana un attīstība ir ievērojami zemāka nekā aerobika.

Anaerobo organismu piemēri

Dažos organismos skābeklis ir toksisks un to sauc par stingriem anaerobiem. Vispazīstamākais piemērs ir baktērija, kas izraisa stingumkrampjus un botulismu: Clostridium.

Turklāt ir arī citi organismi, kas var mainīties starp aerobo un anaerobo elpošanu, ko sauc par fakultatīviem anaerobiem. Citiem vārdiem sakot, viņi izmanto skābekli, ja tie ir piemēroti, un, ja to nav, viņi izmanto anaerobu elpošanu. Piemēram, labi zināmā baktērija Escherichia coli ir vielmaiņa.

Dažas baktērijas var izmantot nitrātu jonu (NO3-) kā elektronu galīgais akcents, piemēram, Pseudomonas un Bacillus. Šo jonu var samazināt līdz nitrīta jonam, slāpekļa oksīdam vai slāpekļa gāzei.

Citos gadījumos gala akceptors sastāv no sulfāta joniem (SO42-), kas izraisa sērūdeņradi un kas izmanto karbonātu, lai veidotu metānu. Baktēriju ģints Desulfovibrio ir šāda veida akceptora piemērs.

Šo elektronu uzņemšana nitrātu un sulfātu molekulās ir būtiska šo savienojumu - slāpekļa un sēra - bioģeoķīmiskajos ciklos..

Process

Glikolīze ir iepriekšējais ceļš uz šūnu elpošanu. Tas sākas ar glikozes molekulu un gala produkts ir piruvāts, trīs oglekļa molekula. Glikolīze notiek šūnas citoplazmā. Šai molekulai jāspēj iekļūt mitohondrijās, lai turpinātu tās degradāciju.

Piruvāts ar difūzijas gradientiem var izplatīties organelē caur membrānas porām. Galīgais galamērķis būs mitohondriju matrica.

Pirms ieiešanas šūnu elpošanas pirmajā posmā piruvāta molekula izmainās ar zināmām izmaiņām.

Pirmkārt, tas reaģē ar molekulu, ko sauc par koenzīmu A. Katrs piruvāts tiek sadalīts oglekļa dioksīdā un acetilgrupā, kas saistās ar koenzīma A, izraisot acetilkoenzīma A kompleksu..

Šajā reakcijā NADP tiek nodoti divi elektroni un viens ūdeņraža jonu+, iegūst NADH un katalizē fermentu komplekss piruvāta dehidrogenāze. Reakcijai ir nepieciešama virkne kofaktoru.

Pēc šīs modifikācijas sākas divi elpošanas posmi: Krebsa cikls un elektronu transportēšanas ķēde.

Krebsa cikls

Krebsa cikls ir viena no svarīgākajām cikliskajām reakcijām bioķīmijā. Literatūrā ir zināms arī kā citronskābes cikls vai trikarboksilskābes cikls (TCA)..

Tā saņem savu vārdu par tās atklājēju: vācu bioķīmiķis Hanss Krebs. 1953. gadā Krebsam tika piešķirta Nobela prēmija, pateicoties šim atklājumam, kas iezīmēja bioķīmijas jomu.

Cikla mērķis ir pakāpeniski atbrīvot acetilacenzīma A sastāvā esošo enerģiju. Tas sastāv no vairākām oksidācijas un reducēšanas reakcijām, kas pārnes enerģiju uz dažādām molekulām, galvenokārt uz NAD.+.

Katrai acetilkoenzīma A molekulai, kas nonāk ciklā, tiek atbrīvotas četras oglekļa dioksīda molekulas, tiek radītas sešas NADH molekulas un divas no FADH.2. CO2 Tā nonāk atmosfērā kā procesa atkritumi. Tiek ģenerēts arī GTP.

Tā kā šis ceļš piedalās gan anaboliskajos (molekulu sintēzes), gan kataboliskos (molekulu degradācijas) procesos, to sauc par "amfibolu"..

Krebsa cikla reakcijas

Cikls sākas ar acetilkoenzīma A molekulas sapludināšanu ar oksaloacetāta molekulu. Šī savienība rada sešu oglekļa molekulu: citrātu. Tādējādi, koenzīms A tiek atbrīvots, patiesībā tas tiek atkārtoti izmantots daudz reižu. Ja šūnā ir daudz ATP, šis solis tiek bloķēts.

Iepriekšminētajai reakcijai ir nepieciešama enerģija, un to iegūst, sadalot augstu enerģijas saiti starp acetilgrupu un koenzīmu A.

Citrāts nokļūst cis aconitato, un tas notiek ar izocitrātu, ko veic aconitasa enzīms. Nākamais solis ir izocitrāta pārvēršana par alfa ketoglutarātu ar dehidrogenētu izocitrātu. Šis posms ir būtisks, jo tas noved pie NADH samazināšanās un oglekļa dioksīda emisijas.

Alfa ketoglutarāts tiek pārveidots par sukcinilkoenzīmu A, izmantojot alfa ketoglutarāta dehidrogenāzi, kas izmanto tos pašus kofaktorus kā piruvāta kināzi. Šajā posmā tiek ģenerēts arī NADH, un kā sākotnējo soli to kavē ATP pārpalikums.

Nākamais produkts ir sukcināts. Savā ražošanā notiek GTP veidošanās. Sukcināts nokļūst fumarātā. Šī reakcija dod FADH. Savukārt fumarāts kļūst par malātu un visbeidzot oksalacetātu.

Elektronu transportēšanas ķēde

Elektronu transporta ķēdes mērķis ir ņemt elektronus no iepriekšējos posmos radītiem savienojumiem, piemēram, NADH un FADH2, kas ir augstā enerģijas līmenī, un noved tos pie zemāka enerģijas līmeņa.

Šis enerģijas samazinājums notiek soli pa solim, tas ir, tas nenotiek pēkšņi. Tas sastāv no vairākiem soļiem, kuros notiek oksidēšanās-reducēšanās reakcijas.

Ķēdes galvenās sastāvdaļas ir kompleksi, ko veido proteīni un fermenti, kas saistīti ar citohrēmiem: hemoglobīni ar hemoglobīnu..

Citohromi pēc savas struktūras ir diezgan līdzīgi, lai gan katram no tiem ir specifika, kas tai ļauj veikt savu specifisko funkciju ķēdē, dziedot elektronus dažādos enerģijas līmeņos..

Elektronu pārvietošana caur elpošanas ķēdi uz zemākiem līmeņiem rada enerģijas izdalīšanos. Šo enerģiju var izmantot mitohondrijās ATP sintezēšanai procesā, ko sauc par oksidatīvo fosforilāciju.

Ķīmiskā savienošana

Ilgu laiku ATP veidošanās mehānisms ķēdē bija mīkla, līdz bioķīmiķis Peter Mitchell ierosināja ķīmijmotisko savienojumu..

Šajā parādībā protona gradientu nosaka caur iekšējo mitohondriju membrānu. Šajā sistēmā esošā enerģija tiek atbrīvota un izmantota ATP sintezēšanai.

Izveidotais ATP apjoms

Kā redzējām, ATP nav tieši Krebsa ciklā, bet elektronu transporta ķēdē. Katram diviem elektroniem, kas pāriet no NADH uz skābekli, notiek trīs ATP molekulu sintēze. Šis aprēķins var nedaudz atšķirties atkarībā no literatūras, par kuru ir saņemta informācija.

Līdzīgi, katram diviem elektroniem, kas iziet no FADH2, veidojas divas ATP molekulas.

Funkcijas

Šūnu elpošanas galvenā funkcija ir enerģijas ražošana ATP formā, lai virzītu to uz šūnu funkcijām..

Gan dzīvniekiem, gan augiem ir nepieciešams iegūt ķīmisko enerģiju, ko satur organiskās molekulas, ko tās izmanto kā pārtiku. Dārzeņu gadījumā šīs molekulas ir cukuri, ko tas pats augs sintezē ar saules enerģijas izmantošanu slavenajā fotosintēzes procesā..

Savukārt dzīvnieki nespēj sintezēt savu pārtiku. Tādējādi heterotrofi patērē uzturu diētā - piemēram, mums. Oksidācijas process ir atbildīgs par enerģijas ieguvi no pārtikas.

Mēs nedrīkstam sajaukt fotosintēzes funkcijas ar elpošanas funkcijām. Augi, tāpat kā dzīvnieki, arī elpo. Abi procesi ir savstarpēji papildinoši un uztur dzīvās pasaules dinamiku.

Atsauces

  1. Alberts, B., un Bray, D. (2006). Ievads šūnu bioloģijā. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., un Byers, B.E. (2003). Bioloģija: dzīve uz Zemes. Pearson izglītība.
  3. Curtis, H., un Schnek, A. (2008). Curtis. Bioloģija. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C. P., Roberts, L.S., Larsons, A., Obers, W.C. & Garrison, C. (2007). Integrēti zooloģijas principi. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., French, K., un Eckert, R. (2002). Eckert dzīvnieku fizioloģija. Macmillan.
  6. Tortora, G. J., Funke, B. R. un Case, C. L. (2007). Ievads mikrobioloģijā. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J.W., Lowe, J.S., Stevens, A., un Wheater, P.R.. Funkcionālā histoloģija: teksta un krāsu atlase. Harcourt.