ЋЕЛИЈСКО ДИСАЊЕ: ПРОЦЕС, ВРСТЕ И ФУНКЦИЈЕ - БИОЛОГИЈА - 2025

Ћелијског дисања је процес који генерише енергију у у облику АТП (аденозин трифосфат). Касније се та енергија усмерава на друге ћелијске процесе. Током ове појаве, молекули се подвргавају оксидацији, а крајњи акцептор електрона је у већини случајева неоргански молекул.

Природа крајњег акцептора електрона зависи од врсте дисања испитиваног организма. У аеробима - попут Хомо сапиенса - крајњи акцептор електрона је кисеоник. Супротно томе, за анаеробне респираторе кисеоник може бити токсичан. У последњем случају, коначни акцептор је аноргански молекул који није кисеоник.

Извор: Аутор Дарекк2, из Викимедиа Цоммонс

Биохемичари су детаљно проучавали аеробно дисање и састоје се од две фазе: Кребсов циклус и ланац транспорта електрона.

У еукариотским организмима сва опрема неопходна за дисање се налази у митохондријама, како у митохондријском матриксу, тако и у мембранском систему овог органеле.

Машина се састоји од ензима који катализирају реакције процеса. Прокариотску лозу карактерише одсуство органела; Из овог разлога долази до дисања у специфичним регионима плазма мембране који симулирају окружење веома слично као у митохондријама.

Терминологија

У области физиологије, термин "дисање" има две дефиниције: плућно дисање и ћелијско дисање. Када у свакодневном животу користимо реч дах, мислимо на прву врсту.

Плућно дисање обухвата дејство удисаја и удисаја, што резултира разменом гасова: кисеоника и угљен диоксида. Исправан израз за овај феномен је "вентилација".

Супротно томе, ћелијско дисање се јавља - као што му име каже - унутар ћелија и процес је задужен за стварање енергије кроз транспортни ланац електрона. Овај последњи поступак је онај о коме ће се говорити у овом чланку.

Где се јавља ћелијско дисање?

Локација дисања у еукариота

Митохондрије

Ћелијско дисање се одвија у сложеном органели која се назива митохондрија. Структурно су митохондрије широке 1,5 микрона и 2 до 8 микрона. Карактерише их по томе што имају сопствени генетски материјал и дељењем бинарном фисијом - вестигијалне карактеристике њиховог ендосимбиотског порекла.

Имају две мембране, глатку и унутрашњу са наборима који формирају гребене. Што су активнији митохондрији, то више гребена има.

Унутрашњост митохондрија се назива митохондријска матрица. У овом одељку се налазе ензими, коензими, вода и фосфати потребни за респираторне реакције.

Спољна мембрана омогућава пролазак већине малих молекула. Међутим, унутрашња мембрана заправо ограничава пролазак кроз врло специфичне транспортере. Пропусност ове структуре игра фундаменталну улогу у производњи АТП-а.

Број митохондрија

Ензими и остале компоненте неопходне за ћелијско дисање налазе се усидрене у мембранама и ослобађају се у митохондријалном матриксу.

Из тог разлога, ћелије којима је потребна већа количина енергије карактеришу велики број митохондрија, за разлику од ћелија којима је потреба за енергијом мања.

На пример, ћелије јетре имају у просеку 2500 митохондрија, док мишићна ћелија (врло метаболички активна) садржи много већи број, а митохондрије овог типа ћелија су веће.

Поред тога, смештени су у одређеним регионима где је потребна енергија, на пример у окружењу флагела сперме.

Локација прокариотског дисања

Логично је да прокариотски организми морају дисати и немају митохондрије - нити сложене органеле карактеристичне за еукариоте. Због тога се респираторни процес одвија у малим инвагинацијама плазма мембране, аналогно ономе како се јавља у митохондријама.

Врсте

Постоје две основне врсте дисања, зависно од молекула који је дјеловао као крајњи акцептор електрона. У аеробном дисању акцептор је кисеоник, док је у анаеробном неоргански молекул - мада је у неколико специфичних случајева акцептор органски молекул. Свако ћемо детаљно описати у наставку:

Аеробик дисање

У аеробним организмима за дисање крајњи акцептор електрона је кисеоник. Кораци који се догађају дијеле се на Кребсов циклус и ланац транспорта електрона.

Детаљно објашњење реакција које се одвијају овим биохемијским путевима биће разрађено у наредном одељку.

Анеробно дисање

Коначни акцептор састоји се од молекула који није кисеоник. Количина АТП-а створена анаеробним дисањем зависи од више фактора, укључујући организам који се проучава и пут који се користи.

Међутим, производња аеробикног дисања увек је већа јер Кребсов циклус делује само делимично и не учествују у дисању све молекуле транспортера у ланцу.

Из тог разлога, раст и развој анаеробних јединки је знатно мањи од аеробних.

Примери анаеробних организама

У неким организмима кисеоник је токсичан и називају се строгим анаеробима. Најпознатији пример је бактерија која изазива тетанус и ботулизам: Цлостридиум.

Поред тога, постоје и други организми који могу наизменично да се измјењују између аеробног и анаеробног дисања, називајући се факултативним анаеробима. Другим речима, они користе кисеоник када им одговара, а у недостатку га прибегавају анаеробном дисању. На пример, добро позната бактерија Есцхерицхиа цоли поседује овај метаболизам.

Одређене бактерије могу користити нитратни јон (НО ₃ ^- ) као крајњи акцептор електрона, попут родова Псеудомонас и Бациллус. Наведени јон може да се редукује до нитрит-јона, азот-оксида или азотног гаса.

У другим случајевима, крајњи акцептор се састоји од сулфатног јона (СО ₄ ^2- ) који ствара водоник сулфид и користи карбонат за формирање метана. Десулфовибрио род бактерија је пример ове врсте акцептора.

Овај пријем електрона у молекулама нитрата и сулфата је пресудан у биогеохемијским циклусима ових једињења - азота и сумпора.

Процес

Гликолиза је пут пре ћелијског дисања. Почиње молекулом глукозе, а крајњи продукт је пируват, молекул са три угљеника. Гликолиза се одвија у цитоплазми ћелије. Овај молекул мора бити у стању да уђе у митохондрије како би наставио његову разградњу.

Пируват може да се дифузује кроз концентрационе градијенте у органеле, кроз поре мембране. Крајње одредиште биће матрица митохондрија.

Пре него што уђе у први корак ћелијског дисања, молекул пирувата подвргава се одређеним модификацијама.

Прво, реагује са молекулом званом коенцим А. Сваки пируват цепа се у угљендиоксид и ацетилну групу, која се везује за коензим А, стварајући ацеил коензим А комплекс.

У овој реакцији, два електрона и јони водоника се преносе у НАДП ⁺ , дајући НАДХ и катализује га ензим комплекс пируват дехидрогеназе. За реакцију је потребан низ кофактора.

Након ове модификације, почињу две фазе дисања: Кребсов циклус и ланац транспорта електрона.

Кребсов циклус

Кребсов циклус је једна од најважнијих цикличких реакција у биохемији. У литератури је такође познат као циклус лимунске киселине или циклус трикарбоксилне киселине (ТЦА).

Име је добио по открићу: њемачком биохемичару Хансу Кребсу. Године 1953., Кребс је добио Нобелову награду за ово откриће које је обележило поље биохемије.

Циљ циклуса је постепено ослобађање енергије садржане у ацетил коенциму А. Састоји се од низа реакција оксидације и редукције које енергију преносе у различите молекуле, углавном НАД ⁺ .

На сваких два ацетил коензим А молекула који улазе у циклус, четири молекуле угљен диоксида пуштен шест молекуле НАДХ и два ФАДХ ₂ генеришу . ЦО ₂ се ослобађа у атмосферу као отпадна супстанца из процеса. ГТП се такође генерише.

Како овај пут учествује и у анаболичким (синтеза молекула) и у катаболичким (разградња молекула) процеса, он се назива „амфиболичким“.

Кребс-ове цикличке реакције

Циклус започиње фузијом молекула ацетил коензима А са молекулом оксалоацетата. Ова унија даје молекулу са шест угљеника: цитрат. Тако се ослобађа коенцим А. У ствари, он се више пута користи. Ако у ћелији има превише АТП-а, овај корак се инхибира.

Горња реакција захтева енергију и добија је из прекида високоенергетске везе између ацетилне групе и коензима А.

Цитрат се претвара у цис аконитат, а ензим ацонитаза се претвара у изоцитрат. Следећи корак је конверзија изоцитрата у алфа кетоглутарат дехидрогенизованим изоцитратом. Ова фаза је релевантна јер доводи до смањења НАДХ и ослобађа угљен диоксид.

Алфа кетоглутарат се претвара у сукцинил коензим А алфа кетоглутарат дехидрогеназом, који користи исте кофакторе као и пируват киназа. НАДХ се такође генерише у овом кораку и, као почетни корак, инхибира вишак АТП-а.

Следећи производ је сукцинан. У његовој производњи долази до стварања ГТП-а. Сукцинат се мења у фумарат. Ова реакција даје ФАДХ. Фумарат заузврат постаје малат и на крају оксалоацетат.

Ланац транспорта електрона

Циљ ланца преноса електрона је да се узму електрони из једињења која су генерисана у претходним корацима, као што су НАДХ и ФАДХ ₂ , који су на високом енергетском нивоу, и доведу их до нижег нивоа енергије.

Овај пад енергије одвија се корак по корак, односно не догађа се нагло. Састоји се од низа корака у којима се дешавају редокс реакције.

Главне компоненте ланца су комплекси формирани од протеина и ензима повезаних са цитокромима: металопорфирини типа хема.

Цитохроми су по својој структури прилично слични, мада сваки има посебност која му омогућава да обавља своју специфичну функцију у ланцу, певајући електроне на различитим нивоима енергије.

Кретање електрона кроз респираторни ланац до нижих нивоа, ослобађа енергију. Ова енергија се може користити у митохондријама за синтезу АТП-а, у процесу познатом као оксидативна фосфорилација.

Хемозмотско спајање

Дуго времена механизам формирања АТП-а у ланцу био је енигма, све док биохемичар Петер Митцхелл није предложио хемосмотско спајање.

У овом феномену се успоставља протонски градијент преко унутрашње митохондријске мембране. Енергија садржана у овом систему се ослобађа и користи за синтезу АТП-а.

Формиран је износ АТП-а

Као што смо видели, АТП се не формира директно у Кребсовом циклусу, већ у ланцу превоза електрона. За свака два електрона која пређу из НАДХ у кисеоник долази до синтезе три АТП молекула. Ова процена може донекле варирати у зависности од литературе о којој се ради.

Слично томе, за свака два електрона која пролазе из ФАДХ ₂ формирају се два АТП молекула.

Карактеристике

Главна функција ћелијског дисања је стварање енергије у облику АТП-а да би га могли усмеравати у функције ћелије.

И животиње и биљке морају да извуку хемијску енергију садржану у органским молекулама које користе у храни. У случају поврћа, ови молекули су шећери које биљка сама синтетише коришћењем соларне енергије у чувеном фотосинтетском процесу.

Животиње, с друге стране, нису способне да синтетишу сопствену храну. Тако хетеротрофи конзумирају храну у исхрани - попут нас, на пример. Процес оксидације задужен је за извлачење енергије из хране.

Не треба бркати функције фотосинтезе са функцијама дисања. Биљке, попут животиња, такође дишу. Оба процеса су комплементарна и одржавају динамику живог света.

Референце

1. Албертс, Б., и Браи, Д. (2006). Увод у ћелијску биологију. Панамерицан Медицал Ед.
2. Аудесирк, Т., Аудесирк, Г., & Биерс, БЕ (2003). Биологија: Живот на Земљи. Пеарсоново образовање.
3. Цуртис, Х., Сцхнек, А. (2008). Цуртис. Биологија. Панамерицан Медицал Ед.
4. Хицкман, ЦП, Робертс, ЛС, Ларсон, А., Обер, ВЦ, & Гаррисон, Ц. (2007). Интегрисани принципи зоологије. МцГрав-Хилл.
5. Рандалл, Д., Бурггрен, В., Френцх, К. и Ецкерт, Р. (2002). Ецкерт физиологија животиња. Мацмиллан.
6. Тортора, ГЈ, Функе, БР, & Цасе, ЦЛ (2007). Увод у микробиологију. Панамерицан Медицал Ед.
7. Иоунг, Б., Хеатх, ЈВ, Лове, ЈС, Стевенс, А., и Вхеатер, ПР (2000). Функционална хистологија: текст и атлас у боји. Харцоурт.