Processen med cellulær respiration, typer og funktioner

1817
Anthony Golden

Det cellulær respiration det er en proces, der genererer energi i form af ATP (adenosintrifosfat). Derefter er denne energi rettet mod andre cellulære processer. Under dette fænomen gennemgår molekylerne oxidation, og den endelige acceptor af elektronerne er i de fleste tilfælde et uorganisk molekyle..

Arten af ​​den endelige elektronacceptor afhænger af typen af ​​respiration af den undersøgte organisme. I aerobes - som Homo sapiens - er den endelige elektronacceptor ilt. I modsætning hertil kan ilt være giftigt for anaerobe åndedrætsværn. I sidstnævnte tilfælde er den endelige acceptor et andet uorganisk molekyle end ilt..

Kilde: Af Darekk2 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], fra Wikimedia Commons

Aerob respiration er grundigt undersøgt af biokemikere og består af to faser: Krebs-cyklussen og elektrontransportkæden..

I eukaryote organismer er alt det maskineri, der er nødvendigt for at åndedræt kan finde sted, inde i mitokondrier, både i mitokondrie-matrixen og i membransystemet i denne organel..

Maskineriet består af enzymer, der katalyserer reaktionerne i processen. Den prokaryote afstamning er kendetegnet ved fraværet af organeller; af denne grund forekommer respiration i specifikke regioner af plasmamembranen, der simulerer et miljø, der ligner mitokondriernes.

Artikelindeks

  • 1 Terminologi
  • 2 Hvor forekommer cellulær respiration?
    • 2.1 Placering af åndedræt i eukaryoter
    • 2.2 Antal mitokondrier
    • 2.3 Placering af prokaryot respiration
  • 3 typer
    • 3.1 Aerob respiration
    • 3.2 Anerob respiration
    • 3.3 Eksempler på anaerobe organismer
  • 4 Process
    • 4.1 Krebs-cyklussen
    • 4.2 Reaktioner i Krebs-cyklussen
    • 4.3 Elektrontransportkæden
    • 4.4 Kemosmotisk kobling
    • 4.5 Dannet mængde ATP
  • 5 funktioner
  • 6 Referencer

Terminologi

Inden for fysiologi har udtrykket "respiration" to definitioner: pulmonal respiration og cellulær respiration. Når vi bruger ordet ånde i hverdagen, henviser vi til den første type.

Pulmonal respiration omfatter indånding og udånding, denne proces resulterer i udveksling af gasser: ilt og kuldioxid. Det rigtige udtryk for dette fænomen er "ventilation".

I modsætning hertil forekommer cellulær respiration - som navnet antyder - inde i cellerne og er den proces, der er ansvarlig for at generere energi gennem en elektrontransportkæde. Denne sidste proces er den, der vil blive diskuteret i denne artikel..

Hvor forekommer cellulær respiration?

Placering af respiration i eukaryoter

Mitokondrier

Cellular respiration finder sted i en kompleks organel kaldet mitokondrion. Strukturelt er mitokondrier 1,5 mikrometer brede og 2 til 8 mikrometer lange. De er kendetegnet ved at have deres eget genetiske materiale og ved at dividere ved binær fission - vestigiale egenskaber ved deres endosymbiotiske oprindelse..

De har to membraner, en glat og en indvendig med folder, der danner kammene. Jo mere aktiv mitokondrierne er, jo flere kamme har den.

Det indre af mitokondrien kaldes mitokondrie matrix. I dette rum er de enzymer, koenzymer, vand og fosfater, der er nødvendige for åndedrætsreaktioner.

Den ydre membran tillader passage af de fleste små molekyler. Imidlertid er det den indre membran, der faktisk begrænser passage gennem meget specifikke transportører. Permeabiliteten af ​​denne struktur spiller en grundlæggende rolle i produktionen af ​​ATP.

Antal mitokondrier

Enzymerne og andre komponenter, der er nødvendige for cellulær respiration, findes forankret i membranerne og frie i den mitokondrie matrix..

Derfor er celler, der kræver en større mængde energi, karakteriseret ved at have et stort antal mitokondrier i modsætning til celler, hvis energibehov er lavere..

For eksempel har leverceller i gennemsnit 2.500 mitokondrier, mens en muskelcelle (meget metabolisk aktiv) indeholder et meget højere antal, og mitokondrier af denne celletype er større.

Derudover er disse placeret i de specifikke regioner, hvor der kræves energi, for eksempel omkring sædets flagellum..

Placering af prokaryot respiration

Logisk skal prokaryote organismer trække vejret, og de har ikke mitokondrier - heller ikke komplekse organeller, der er karakteristiske for eukaryoter. Af denne grund finder respirationsprocessen sted i små invaginationer af plasmamembranen, analogt med hvad der sker i mitokondrier..

Typer

Der er to grundlæggende typer af åndedræt afhængigt af det molekyle, der fungerede som den endelige acceptor af elektronerne. I aerob respiration er acceptoren ilt, mens den i anaerob er et uorganisk molekyle - skønt acceptoren i nogle få specifikke tilfælde er et organisk molekyle. Vi beskriver hver enkelt i detaljer nedenfor:

Aerob respiration

I aerobe respirationsorganismer er den endelige elektronacceptor ilt. De trin, der opstår, er opdelt i Krebs-cyklussen og elektrontransportkæden.

Den detaljerede forklaring af reaktionerne, der finder sted på disse biokemiske veje, vil blive udviklet i det næste afsnit.

Anerob respiration

Den endelige acceptor består af et andet molekyle end ilt. Mængden af ​​ATP, der genereres af anaerob respiration, afhænger af flere faktorer, herunder den undersøgte organisme og den anvendte rute..

Imidlertid er energiproduktionen altid højere i aerob respiration, da Krebs-cyklussen kun fungerer delvist, og ikke alle transportmolekyler i kæden deltager i respiration.

Af denne grund er væksten og udviklingen af ​​anaerobe individer betydeligt mindre end aerobe..

Eksempler på anaerobe organismer

I nogle organismer er ilt giftigt, og de kaldes strenge anaerober. Det mest kendte eksempel er de bakterier, der forårsager stivkrampe og botulisme: Clostridium.

Derudover er der andre organismer, der kan skifte mellem aerob og anaerob respiration og kalder sig fakultative anaerober. Med andre ord bruger de ilt, når det passer dem, og i mangel af det griber de til anaerob respiration. For eksempel den velkendte bakterie Escherichia coli har dette stofskifte.

Visse bakterier kan bruge nitrationen (NO3-) som endelig elektronacceptor, såsom slægterne af Pseudomonas Y Bacillus. Nævnte ion kan reduceres til nitrition, dinitrogenoxid eller nitrogengas.

I andre tilfælde består den endelige acceptor af sulfationen (SO4to-) som giver anledning til hydrogensulfid og bruger carbonat til at danne methan. Slægten af ​​bakterier Desulfovibrio er et eksempel på denne type acceptor.

Denne modtagelse af elektroner i nitrat- og sulfatmolekyler er afgørende i de biogeokemiske cyklusser af disse forbindelser - nitrogen og svovl..

Behandle

Glykolyse er en vej før cellulær respiration. Det starter med et glukosemolekyle, og slutproduktet er pyruvat, et tre-kulstofmolekyle. Glykolyse finder sted i cellens cytoplasma. Dette molekyle skal være i stand til at komme ind i mitokondrierne for at fortsætte nedbrydningen.

Pyruvat kan diffundere gennem koncentrationsgradienter ind i organellen gennem membranens porer. Den endelige destination vil være matokondriernes matrix.

Inden det første trin i cellulær respiration gennemgår pyruvatmolekylet visse ændringer.

For det første reagerer det med et molekyle kaldet coenzym A. Hvert pyruvat spalter i carbondioxid og acetylgruppen, som binder til coenzym A, hvilket giver anledning til aceylcoenzym A-komplekset..

I denne reaktion overføres to elektroner og en hydrogenion til NADP+, hvilket giver NADH og katalyseres af pyruvatdehydrogenase-enzymkomplekset. Reaktionen kræver en række medfaktorer.

Efter denne ændring begynder de to faser inden for respiration: Krebs-cyklussen og elektrontransportkæden..

Krebs-cyklussen

Krebs-cyklussen er en af ​​de vigtigste cykliske reaktioner i biokemi. Det er også kendt i litteraturen som citronsyrecyklus eller tricarboxylsyrecyklus (TCA).

Det er opkaldt til ære for sin opdager: den tyske biokemiker Hans Krebs. I 1953 blev Krebs tildelt Nobelprisen for denne opdagelse, der markerede området biokemi..

Målet med cyklussen er den gradvise frigivelse af energien indeholdt i acetylcoenzym A. Den består af en række oxidations- og reduktionsreaktioner, der overfører energi til forskellige molekyler, hovedsageligt NAD+.

For hver to molekyler af acetylcoenzym A, der kommer ind i cyklussen, frigives fire molekyler kuldioxid, der genereres seks molekyler af NADH og to af FADH.to. COto det frigives i atmosfæren som et affaldsstof fra processen. GTP genereres også.

Da denne vej deltager i både anabolske (molekylesyntese) og kataboliske (molekyle nedbrydningsprocesser) kaldes den "amfibolisk".

Krebs cyklus reaktioner

Cyklussen begynder med fusion af et acetylcoenzym A-molekyle med et oxaloacetatmolekyle. Denne forening giver anledning til et seks-kulstofmolekyle: citrat. Således frigives coenzym A. Det genbruges faktisk mange gange. Hvis der er meget ATP i cellen, hæmmes dette trin.

Ovenstående reaktion kræver energi og opnår den ved nedbrydning af højenergibindingen mellem acetylgruppen og coenzym A.

Citrat omdannes til cis-aconitat og omdannes til isocitrat af enzymet aconitase. Det næste trin er omdannelsen af ​​isocitrat til alfa-ketoglutarat af dehydrogeneret isocitrat. Dette trin er relevant, fordi det fører til reduktion af NADH og frigiver kuldioxid..

Alfa ketoglutarat omdannes til succinyl coenzym A af alfa ketoglutarat dehydrogenase, der bruger de samme kofaktorer som pyruvat kinase. NADH genereres også i dette trin og hæmmes som det indledende trin af overskydende ATP..

Det næste produkt er succinat. I sin produktion opstår dannelsen af ​​GTP. Succinatet bliver fumerat. Denne reaktion giver FADH. Fumaratet bliver igen malat og til sidst oxaloacetat.

Elektrontransportkæden

Elektrontransportkæden sigter mod at tage elektronerne fra de forbindelser, der er genereret i tidligere trin, såsom NADH og FADHto, der er på et højt energiniveau og fører dem til et lavere energiniveau.

Dette fald i energi finder sted trin for trin, dvs. det sker ikke pludseligt. Den består af en række trin, hvor der opstår redoxreaktioner.

Hovedkomponenterne i kæden er komplekser dannet af proteiner og enzymer koblet til cytokromer: hæm-type metalloporphyriner.

Cytokromer er ret ens med hensyn til deres struktur, skønt hver enkelt har en specificitet, der gør det muligt for den at udføre sin specifikke funktion inden for kæden og synge elektroner på forskellige energiniveauer..

Bevægelse af elektroner gennem luftvejskæden til lavere niveauer frembringer frigivelse af energi. Denne energi kan bruges i mitokondrierne til at syntetisere ATP i en proces kendt som oxidativ fosforylering..

Kemosmotisk kobling

I lang tid var mekanismen for ATP-dannelse i kæden en gåde, indtil biokemikeren Peter Mitchell foreslog kemosmotisk kobling.

I dette fænomen etableres en protongradient på tværs af den indre mitokondrie-membran. Energien i dette system frigives og bruges til at syntetisere ATP.

Mængden af ​​dannet ATP

Som vi så, dannes ATP ikke direkte i Krebs-cyklussen, men i elektrontransportkæden. For hver to elektroner, der passerer fra NADH til ilt, forekommer syntesen af ​​tre ATP-molekyler. Dette skøn kan variere noget afhængigt af den konsulterede litteratur..

Tilsvarende for hver to elektroner, der passerer fra FADHto, to ATP-molekyler dannes.

Funktioner

Hovedfunktionen ved cellulær respiration er dannelsen af ​​energi i form af ATP for at være i stand til at dirigere den til funktionerne i cellen..

Både dyr og planter har brug for at udvinde den kemiske energi, der findes i de organiske molekyler, de bruger til mad. I tilfælde af grøntsager er disse molekyler det sukker, som planten selv syntetiserer med brugen af ​​solenergi i den berømte fotosyntetiske proces..

Dyr er derimod ikke i stand til at syntetisere deres egen mad. Således forbruger heterotrofer mad i kosten - som for eksempel os. Oxidationsprocessen er ansvarlig for at udvinde energi fra mad.

Vi bør ikke forveksle fotosynteseens funktioner med respirationens funktioner. Planter, ligesom dyr, trækker vejret. Begge processer er komplementære og opretholder dynamikken i den levende verden.

Referencer

  1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introduktion til cellebiologi. Panamerican Medical Ed..
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B. E. (2003). Biologi: Liv på jorden. Pearson uddannelse.
  3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. biologi. Panamerican Medical Ed..
  4. Hickman, C. P., Roberts, L. S., Larson, A., Ober, W. C., & Garrison, C. (2007). Integrerede zoologiske principper. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckert dyrefysiologi. Macmillan.
  6. Tortora, G. J., Funke, B. R., og Case, C. L. (2007). Introduktion til mikrobiologi. Panamerican Medical Ed..
  7. Young, B., Heath, J. W., Lowe, J. S., Stevens, A., & Wheater, P. R. (2000). Funktionel histologi: tekst- og farveatlas. Harcourt.

Endnu ingen kommentarer