АЭРОБНОЕ ДЫХАНИЕ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТАДИИ И ОРГАНИЗМЫ - БИОЛОГИЯ - 2025

Аэробное дыхание или аэробное представляет собой биологический процесс , который включает в себя получение энергии органических молекул - в основном , глюкоза - серия реакций окисления, где конечный акцептор электронов представляют собой кислород.

Этот процесс присутствует у подавляющего большинства органических существ, особенно у эукариот. Все животные, растения и грибы дышат аэробно. Кроме того, некоторые бактерии также обладают аэробным метаболизмом.

У эукариот механизм клеточного дыхания расположен в митохондриях.
Источник: Национальный институт исследования генома человека (NHGRI) от Bethesda, MD, США, через Wikimedia Commons.

В общем, процесс получения энергии из молекулы глюкозы делится на гликолиз (этот этап является общим как для аэробных, так и для анаэробных путей), цикл Кребса и цепь переноса электронов.

Концепция аэробного дыхания противоположна анаэробному дыханию. В последнем случае конечным акцептором электронов является другое неорганическое вещество, отличное от кислорода. Это характерно для некоторых прокариот.

Что такое кислород?

Прежде чем обсуждать процесс аэробного дыхания, необходимо знать некоторые аспекты молекулы кислорода.

Это химический элемент, представленный в периодической таблице с буквой O и атомным номером 8. При стандартных условиях температуры и давления кислород имеет тенденцию связываться парами, давая начало молекуле дикислорода.

Этот газ, состоящий из двух атомов кислорода, не имеет цвета, запаха и вкуса и представлен формулой O ₂ . В атмосфере это важный компонент, необходимый для поддержания большинства форм жизни на Земле.

Благодаря газообразной природе кислорода молекула способна свободно пересекать клеточные мембраны - как внешнюю мембрану, отделяющую клетку от внеклеточной среды, так и мембраны субклеточных компартментов, включая митохондрии.

Характеристики дыхания

Клетки используют молекулы, которые мы получаем с пищей, как своего рода дыхательное «топливо».

Клеточное дыхание - это процесс генерирования энергии в форме молекул АТФ, при котором молекулы, подлежащие разложению, подвергаются окислению, а конечным акцептором электронов в большинстве случаев является неорганическая молекула.

Важной особенностью, позволяющей протекать дыхательным процессам, является наличие цепи переноса электронов. При аэробном дыхании конечным акцептором электронов является молекула кислорода.

В нормальных условиях эти «топлива» представляют собой углеводы или углеводы, жиры или липиды. Поскольку из-за недостатка пищи организм попадает в опасные условия, он прибегает к использованию белков, чтобы удовлетворить свои потребности в энергии.

Слово «дыхание» входит в наш повседневный словарный запас. Акт вдыхания воздуха в наши легкие в непрерывных циклах выдохов и вдохов мы называем дыханием.

Однако в формальном контексте наук о жизни такое действие обозначается термином вентиляция. Таким образом, термин «дыхание» используется для обозначения процессов, происходящих на клеточном уровне.

Процессы (этапы)

Стадии аэробного дыхания включают необходимые шаги для извлечения энергии из органических молекул - в этом случае мы будем описывать молекулу глюкозы как дыхательное топливо - до тех пор, пока она не достигнет акцептора кислорода.

Этот сложный метаболический путь делится на гликолиз, цикл Кребса и цепь переноса электронов:

гликолиз

Рисунок 1: гликолиз против глюконеогенеза. Реакции и вовлеченные ферменты.

Первым этапом распада мономера глюкозы является гликолиз, также называемый гликолизом. Этот этап не требует прямого кислорода, и он присутствует практически во всех живых существах.

Целью этого метаболического пути является расщепление глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты, получение двух молекул чистой энергии (АТФ) и восстановление двух молекул НАД ⁺ .

В присутствии кислорода этот путь может продолжаться до цикла Кребса и цепи переноса электронов. В случае отсутствия кислорода молекулы будут следовать по маршруту ферментации. Другими словами, гликолиз - это обычный метаболический путь для аэробного и анаэробного дыхания.

До цикла Кребса должно происходить окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Этот этап опосредуется очень важным комплексом ферментов, называемым пируватдегидрогеназой, который осуществляет вышеупомянутую реакцию.

Таким образом, пируват становится ацетильным радикалом, который впоследствии захватывается коферментом А, который отвечает за его транспортировку в цикл Кребса.

Цикл Кребса

Цикл Кребса, также известный как цикл лимонной кислоты или цикл трикарбоновой кислоты, состоит из серии биохимических реакций, катализируемых определенными ферментами, которые стремятся постепенно высвободить химическую энергию, хранящуюся в ацетилкоферменте А.

Это путь, который полностью окисляет молекулу пирувата и происходит в матриксе митохондрий.

Этот цикл основан на серии реакций окисления и восстановления, которые передают потенциальную энергию в форме электронов элементам, которые их принимают, особенно молекуле НАД ⁺ .

Краткое содержание цикла Кребса

Каждая молекула пировиноградной кислоты распадается на двуокись углерода и двухуглеродную молекулу, известную как ацетильная группа. При объединении с коферментом А (упомянутым в предыдущем разделе) образуется комплекс ацетил-кофермент А.

Два атома углерода пировиноградной кислоты входят в цикл, конденсируются с оксалоацетатом и образуют молекулу цитрата с шестью атомами углерода. Таким образом, происходят окислительные ступенчатые реакции. Цитрат превращается в оксалоацетат с теоретическим образованием 2 моль диоксида углерода, 3 моль NADH, 1 моль FADH ₂ и 1 моль GTP.

Поскольку при гликолизе образуются две молекулы пирувата, одна молекула глюкозы совершает два оборота цикла Кребса.

Электронная транспортная цепь

Цепь переноса электронов состоит из последовательности белков, которые обладают способностью проводить реакции окисления и восстановления.

Прохождение электронов через эти белковые комплексы приводит к постепенному высвобождению энергии, которая впоследствии используется хемоосмотиками для выработки АТФ. Важно отметить, что последняя цепная реакция носит необратимый характер.

У эукариотических организмов, которые имеют субклеточные компартменты, элементы транспортной цепи прикреплены к мембране митохондрий. У прокариот, у которых отсутствуют эти компартменты, элементы цепи расположены в плазматической мембране клетки.

Реакции этой цепи приводят к образованию АТФ за счет энергии, получаемой при перемещении водорода через переносчики, до достижения конечного акцептора: кислорода, реакции, в которой образуется вода.

Классы молекул-носителей

Цепь состоит из трех вариантов конвейеров. К первому классу относятся флавопротеины, характеризующиеся наличием флавина. Этот тип транспортера может поочередно выполнять два типа реакций: восстановление и окисление.

Второй тип состоит из цитохромов. Эти белки имеют гемовую группу (например, гемоглобин), которая может иметь разные степени окисления.

Последний класс переносчиков - убихинон, также известный как кофермент Q. Эти молекулы не являются белками по своей природе.

Организмы с аэробным дыханием

Большинство живых организмов имеет дыхание аэробного типа. Это типично для эукариотических организмов (существ с истинным ядром в своих клетках, ограниченным мембраной). Все животные, растения и грибы дышат аэробно.

Животные и грибы являются гетеротрофными организмами, а это означает, что «топливо», которое будет использоваться в метаболическом пути дыхания, должно активно потребляться с пищей. В отличие от растений, которые способны производить себе пищу посредством фотосинтеза.

Некоторым родам прокариот также необходим кислород для дыхания. В частности, существуют строго аэробные бактерии, то есть они растут только в богатой кислородом среде, например, псевдомонады.

У других родов бактерий есть способность изменять свой метаболизм с аэробного на анаэробный в зависимости от условий окружающей среды, например сальмонеллы. Для прокариот важная характеристика для их классификации - аэробный или анаэробный характер.

Отличия от анаэробного дыхания

Процесс, противоположный аэробному дыханию, - это анаэробный режим. Наиболее очевидное различие между ними - использование кислорода в качестве конечного акцептора электронов. При анаэробном дыхании в качестве акцепторов используются другие неорганические молекулы.

Более того, при анаэробном дыхании конечным продуктом реакции является молекула, которая все еще может продолжать окисляться. Например, молочная кислота образуется в мышцах во время ферментации. Напротив, конечными продуктами аэробного дыхания являются углекислый газ и вода.

Есть различия и с энергетической точки зрения. В анаэробном пути продуцируются только две молекулы АТФ (соответствующие гликолитическому пути), в то время как при аэробном дыхании конечный продукт обычно составляет около 38 молекул АТФ, что является значительной разницей.

Ссылки

1. Кэмпбелл, МК, и Фаррелл, СО (2011). Биохимия. Издание шестое. Томсон. Брукс / Коул.
2. Кертис, Х. (2006). Приглашение к биологии. Издание шестое. Буэнос-Айрес: Pan-American Medical.
3. Эстрада, Э. и Арансабаль, М. (2002). Атлас гистологии позвоночных. Национальный автономный университет Мексики. Стр.173.
4. Холл, Дж. (2011). Договор о медицинской физиологии. Нью-Йорк: Elsevier Health Sciences.
5. Хариша, С. (2005). Введение в практическую биотехнологию. Нью-Дели: Firewall Media.
6. Хилл Р. (2006). Физиология животных. Мадрид: Pan-American Medical.
7. Иглесиас Б., Мартин М. и Прието Дж. (2007). Основы физиологии. Мадрид: Тебар.
8. Кулман, Дж. И Рем, К. Х. (2005). Биохимия: текст и атлас. Panamerican Medical Ed.
9. Васудеван Д. и Срикумари С. (2012). Текст по биохимии для студентов-медиков. Издание шестое. Мексика: JP Medical Ltd.