KORINIS KVĖPAVIMAS: PROCESAS, RŪŠYS IR FUNKCIJOS - BIOLOGIJA - 2025

Korinio kvėpavimo yra procesas, kuris generuoja energiją į ATP (adenozino trifosfatas) forma. Vėliau ši energija nukreipiama į kitus ląstelių procesus. Šio reiškinio metu molekulės oksiduojasi, o galutinis elektronų akceptorius daugeliu atvejų yra neorganinė molekulė.

Galutinio elektronų akceptoriaus pobūdis priklauso nuo tiriamo organizmo kvėpavimo tipo. Aerobuose - kaip Homo sapiens - galutinis elektronų akceptorius yra deguonis. Anaerobiniams respiratoriams, priešingai, deguonis gali būti toksiškas. Pastaruoju atveju galutinis akceptorius yra neorganinė molekulė, išskyrus deguonį.

Šaltinis: Darekk2, iš „Wikimedia Commons“

Aerobinis kvėpavimas buvo išsamiai ištirtas biochemikų ir susideda iš dviejų etapų: Krebso ciklo ir elektronų pernešimo grandinės.

Eukariotų organizmuose visos kvėpavimui būtinos mašinos yra mitochondrijų viduje, tiek mitochondrijų matricoje, tiek šios organelės membraninėje sistemoje.

Mašiną sudaro fermentai, katalizuojantys proceso reakcijas. Prokariotinei linijai būdingas organelių nebuvimas; Dėl šios priežasties kvėpavimas vyksta specifinėse plazmos membranos vietose, kurios imituoja aplinką, labai panašią į mitochondrijų aplinką.

Terminija

Fiziologijos srityje terminas „kvėpavimas“ turi du apibrėžimus: kvėpavimas plaučiais ir kvėpavimas ląstelėse. Kai kasdieniniame gyvenime vartojame žodį kvėpavimas, turime omenyje pirmąjį tipą.

Plaučių kvėpavimas apima įkvėpimą ir iškvėpimą, dėl kurio pasikeičia dujos: deguonis ir anglies dioksidas. Tinkamas šio reiškinio terminas yra „ventiliacija“.

Priešingai, ląstelių kvėpavimas vyksta - kaip rodo jo pavadinimas - ląstelių viduje ir yra procesas, atsakingas už energijos generavimą per elektronų pernešimo grandinę. Šis paskutinis procesas bus tas, kuris bus aptartas šiame straipsnyje.

Kur vyksta ląstelių kvėpavimas?

Kvėpavimo vieta eukariotuose

Mitochondrijos

Ląstelinis kvėpavimas vyksta sudėtingame organelle, vadinamame mitochondrijomis. Struktūriškai mitochondrijos yra 1,5 mikrono pločio ir nuo 2 iki 8 mikronų ilgio. Jie pasižymi tuo, kad turi savo genetinę medžiagą ir dalijasi dvejetainiu dalijimusi - vestigialinėmis jų endosimbiotinės kilmės savybėmis.

Jie turi dvi membranas, lygią ir vidinę, su raukšlėmis, sudarančiomis keterą. Kuo aktyvesnė mitochondrija, tuo daugiau keterų ji turi.

Mitochondrijų vidus vadinamas mitochondrijų matrica. Šiame skyriuje yra fermentai, koenzimai, vanduo ir fosfatai, reikalingi kvėpavimo takų reakcijoms.

Išorinė membrana leidžia praeiti daugumai mažų molekulių. Tačiau būtent vidinė membrana iš tikrųjų apriboja praėjimą per labai specifinius transporterius. Šios struktūros pralaidumas vaidina pagrindinį vaidmenį gaminant ATP.

Mitochondrijų skaičius

Fermentai ir kiti komponentai, reikalingi ląstelių kvėpavimui, yra pritvirtinti membranose ir laisvi mitochondrijų matricoje.

Todėl ląstelėms, kurioms reikalingas didesnis energijos kiekis, būdingas didelis mitochondrijų skaičius, priešingai nei ląstelės, kurių energijos poreikis yra mažesnis.

Pavyzdžiui, kepenų ląstelėse yra vidutiniškai 2500 mitochondrijų, tuo tarpu raumenų ląstelių (labai metaboliškai aktyvių) yra daug daugiau, o šios ląstelės tipo mitochondrijų yra daugiau.

Be to, jie yra tam tikruose regionuose, kur reikalinga energija, pavyzdžiui, apsupdami spermos žiedus.

Prokariotinio kvėpavimo vieta

Logiškai mąstant, prokariotiniams organizmams reikia kvėpuoti ir jie neturi mitochondrijų - nei sudėtingų organelių, būdingų eukariotams. Dėl šios priežasties kvėpavimo procesas vyksta mažomis plazminės membranos invazijomis, panašiai kaip jis vyksta mitochondrijose.

Tipai

Yra du pagrindiniai kvėpavimo tipai, atsižvelgiant į molekulę, kuri veikė kaip galutinis elektronų akceptorius. Aerobiniame kvėpavime akceptorius yra deguonis, o anaerobiniame - neorganinė molekulė - nors keliais konkrečiais atvejais akceptorius yra organinė molekulė. Žemiau apibūdinsime kiekvieną iš jų:

Aerobinis kvėpavimas

Aerobinio kvėpavimo organizmuose galutinis elektronų akceptorius yra deguonis. Vykstantys žingsniai yra suskirstyti į Krebso ciklą ir elektronų pernešimo grandinę.

Išsamus reakcijų, vykstančių šiais biocheminiais būdais, paaiškinimas bus pateiktas kitame skyriuje.

Anerobinis kvėpavimas

Galutinį akceptorių sudaro molekulė, išskyrus deguonį. Anaerobinio kvėpavimo metu sukuriamas ATP kiekis priklauso nuo kelių veiksnių, įskaitant tiriamą organizmą ir naudojamą kelią.

Tačiau energijos gamyba visada būna didesnė aerobinio kvėpavimo metu, nes Krebso ciklas veikia tik iš dalies ir kvėpavime dalyvauja ne visos grandinės transporterio molekulės.

Dėl šios priežasties anaerobinių asmenų augimas ir vystymasis yra daug mažesnis nei aerobinių.

Anaerobinių organizmų pavyzdžiai

Kai kuriuose organizmuose deguonis yra toksiškas ir jie vadinami griežtais anaerobais. Labiausiai žinomas yra stabligę ir botulizmą sukeliančios bakterijos: Clostridium.

Be to, yra ir kitų organizmų, kurie gali kaitalioti tarp aerobinio ir anaerobinio kvėpavimo, vadinami fakultatyviniais anaerobais. Kitaip tariant, jie naudoja deguonį, kai jiems tinka, o nesant jo, jie naudojasi anaerobiniu kvėpavimu. Pavyzdžiui, šią metabolizmą turi gerai žinoma bakterija Escherichia coli.

Kai kurios bakterijos , pavyzdžiui, Pseudomonas ir Bacillus, gali naudoti nitrato joną (NO ₃ ^- ) kaip galutinį elektronų akceptorių. Minėtas jonas gali būti redukuotas į nitrito joną, azoto oksidą arba azoto dujas.

Kitais atvejais galutinį akceptorių sudaro sulfato jonas (SO ₄ ² ), iš kurio susidaro vandenilio sulfidas, o karbonatas naudojamas metanui sudaryti. Šios rūšies akceptorių pavyzdys yra bakterijos „Desulfovibrio“ gentis.

Šis elektronų priėmimas nitrato ir sulfato molekulėse yra nepaprastai svarbus šių junginių - azoto ir sieros - biogeocheminiuose cikluose.

Procesas

Glikolizė yra kelias prieš ląstelių kvėpavimą. Jis prasideda nuo gliukozės molekulės, o galutinis produktas yra piruvatas, trijų anglies molekulė. Glikolizė vyksta ląstelės citoplazmoje. Ši molekulė turi sugebėti patekti į mitochondrijas, kad galėtų tęsti savo skilimą.

Piruvatas gali difuzuoti per koncentracijos gradientus į organelius, per membranos poras. Galutinis tikslas bus mitochondrijų matrica.

Prieš žengiant pirmąjį ląstelių kvėpavimo žingsnį, piruvato molekulė patiria tam tikras modifikacijas.

Pirmiausia jis reaguoja su molekule, vadinama kofermentu A. Kiekvienas piruvatas suskaidomas į anglies dioksidą ir acetilo grupę, kuri jungiasi su kofermentu A, sukuriant acetilkoenzimo A kompleksą.

Šioje reakcijoje du elektronai ir vandenilio jonas perkeliami į NADP ⁺ , gaunant NADH, ir jį katalizuoja piruvato dehidrogenazės fermento kompleksas. Reakcijai reikia daug kofaktorių.

Po šios modifikacijos prasideda du kvėpavimo etapai: Krebso ciklas ir elektronų pernešimo grandinė.

Krebso ciklas

Krebso ciklas yra viena iš svarbiausių ciklinių reakcijų biochemijoje. Taip pat literatūroje jis žinomas kaip citrinų rūgšties ciklas arba trikarboksirūgšties ciklas (TCA).

Jis pavadintas atradėjo garbei: vokiečių biochemikas Hansas Krebsas. 1953 m. Krebsui buvo suteikta Nobelio premija už šį atradimą, kuris pažymėjo biochemijos sritį.

Ciklo tikslas yra laipsniškas energijos, esančios acetilkoenzime A, išlaisvinimas. Jį sudaro oksidacijos ir redukcijos reakcijų, pernešančių energiją į skirtingas molekules, daugiausia NAD ^+, serija .

Kiekvienoms dviem į ciklą patenkančioms acetilkoenzimo A molekulėms išsiskiria keturios anglies dioksido molekulės, susidaro šešios NADH molekulės ir dvi FADH ₂ . CO ₂ išmetamas į atmosferą kaip proceso metu susidaranti atliekos. Taip pat generuojamas GTP.

Kadangi šis kelias dalyvauja tiek anaboliniuose (molekulių sintezės), tiek kataboliniuose (molekulių skilimas) procesuose, jis vadinamas „amfiboliniu“.

Krebso ciklo reakcijos

Ciklas prasideda nuo acetilkoenzimo A molekulės susiliejimo su oksaloacetato molekulėmis. Dėl šios sąjungos susidaro šešių anglies molekulė: citratas. Taigi išsiskiria kofermentas A. Tiesą sakant, jis daug kartų naudojamas. Jei ląstelėje yra per daug ATP, šis žingsnis yra slopinamas.

Aukščiau aprašytai reakcijai reikia energijos, todėl ji nutraukia didelės energijos ryšį tarp acetilo grupės ir kofermento A.

Citratas paverčiamas cis akonitatu, o fermento akonitase paverčiamas izocitratu. Kitas žingsnis yra izocitrato pavertimas alfa ketoglutaratu dehidratuotu izocitratu. Šis etapas yra svarbus, nes jis lemia NADH sumažėjimą ir išskiria anglies dioksidą.

Alfa ketoglutaratas paverčiamas sukcinilo koenzimu A alfa ketoglutarato dehidrogenazės, kuriai naudojami tie patys kofaktoriai, kaip ir piruvato kinazei. NADH taip pat generuojamas šiame etape ir, kaip pradinis žingsnis, slopinamas perteklinio ATP.

Kitas produktas yra sukcinatas. Jo gamyboje susidaro GTP. Sukcinatas pasikeičia į fumaratą. Ši reakcija suteikia FADH. Savo ruožtu fumaratas tampa malatu ir galiausiai oksaloacetatu.

Elektronų pernešimo grandinė

Elektronų pernešimo grandinės tikslas yra paimti elektronus iš junginių, sugeneruotų ankstesniuose etapuose, tokiuose kaip NADH ir FADH ₂ , kurių energijos lygis yra aukštas, ir nukreipti juos į žemesnį energijos lygį.

Šis energijos sumažėjimas vyksta žingsnis po žingsnio, tai yra, jis neatsiranda staiga. Jį sudaro keletas žingsnių, kuriuose vyksta redoksinės reakcijos.

Pagrindiniai grandinės komponentai yra kompleksai, kuriuos sudaro baltymai ir fermentai, sujungti su citochromais: hemo tipo metaloporfirinai.

Citochromai yra gana panašūs savo struktūra, nors kiekvienas iš jų turi savitumą, kuris leidžia atlikti savo specifinę funkciją grandinėje, dainuojant elektronus skirtingais energijos lygiais.

Elektronų judėjimas per kvėpavimo grandinę į žemesnius lygius išskiria energiją. Ši energija gali būti naudojama mitochondrijose sintetinti ATP, procese, vadinamame oksidaciniu fosforilinimu.

Chemosmotinis sujungimas

Ilgą laiką ATP formavimo mechanizmas grandinėje buvo mįslė, kol biochemikas Peteris Mitchell pasiūlė chemosmotinį jungimą.

Šiuo reiškiniu protono gradientas yra nustatomas per vidinę mitochondrijų membraną. Šioje sistemoje esanti energija yra išleidžiama ir naudojama ATP sintezei.

Susidariusio ATP kiekis

Kaip matėme, ATP formuojasi ne tiesiogiai Krebso cikle, o elektronų pernešimo grandinėje. Kiekvieniems dviem elektronams, pereinantiems iš NADH į deguonį, vyksta trijų ATP molekulių sintezė. Šis įvertinimas gali šiek tiek skirtis, atsižvelgiant į naudotą literatūrą.

Panašiai kiekvieniems dviem elektronams, praeinantiems iš FADH ₂ , susidaro dvi ATP molekulės.

funkcijos

Pagrindinė ląstelių kvėpavimo funkcija yra energijos generavimas ATP pavidalu, kad būtų galima nukreipti ją į ląstelės funkcijas.

Tiek gyvūnams, tiek augalams reikia išgauti cheminę energiją organinėse molekulėse, kurias jie naudoja maistui. Daržovių atveju šios molekulės yra cukrus, kuriuos pats augalas sintetina naudodamas saulės energiją garsiajame fotosintezės procese.

Kita vertus, gyvūnai nesugeba susintetinti savo maisto. Taigi, heterotrofai maiste vartoja maistą - kaip, pavyzdžiui, mes. Oksidacijos procesas yra atsakingas už energijos išgavimą iš maisto.

Neturėtume painioti fotosintezės funkcijų su kvėpavimo funkcijomis. Augalai, kaip ir gyvūnai, taip pat kvėpuoja. Abu procesai papildo vienas kitą ir palaiko gyvojo pasaulio dinamiką.

Nuorodos

1. Alberts, B., ir Bray, D. (2006). Įvadas į ląstelių biologiją. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologija: gyvenimas žemėje. Pearsono išsilavinimas.
3. Curtis, H., ir Schnek, A. (2008). Kurtis. Biologija. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Integruoti zoologijos principai. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckert gyvūnų fiziologija. Macmillanas.
6. „Tortora“, G. J., „Funke“, „BR“ ir „Case“, CL (2007). Įvadas į mikrobiologiją. Panamerican Medical Ed.
7. Jaunas, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Funkcinė histologija: spalvotas tekstas ir atlasas. Harcourt'as.