КЛЕТОЧНОЕ ДЫХАНИЕ: ПРОЦЕСС, ВИДЫ И ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

Клеточное дыхание представляет собой процесс , который генерирует энергию в в виде АТФ (аденозинтрифосфат). Позже эта энергия направляется на другие клеточные процессы. Во время этого явления молекулы подвергаются окислению, и конечным акцептором электронов в большинстве случаев является неорганическая молекула.

Природа конечного акцептора электронов зависит от типа дыхания исследуемого организма. У аэробов, таких как Homo sapiens, конечным акцептором электронов является кислород. Напротив, для анаэробных респираторов кислород может быть токсичным. В последнем случае конечным акцептором является неорганическая молекула, отличная от кислорода.

Источник: Автор Darekk2, из Wikimedia Commons

Аэробное дыхание широко изучалось биохимиками и состоит из двух стадий: цикла Кребса и цепи переноса электронов.

У эукариотических организмов все механизмы, необходимые для дыхания, находятся внутри митохондрий, как в митохондриальном матриксе, так и в мембранной системе этой органеллы.

Механизм состоит из ферментов, которые катализируют реакции процесса. Прокариотическая линия характеризуется отсутствием органелл; По этой причине дыхание происходит в определенных областях плазматической мембраны, которые имитируют среду, очень похожую на среду митохондрий.

терминология

В области физиологии термин «дыхание» имеет два определения: легочное дыхание и клеточное дыхание. Когда мы используем слово «дыхание» в повседневной жизни, мы имеем в виду первый тип.

Легочное дыхание включает в себя вдох и выдох, в результате которого происходит обмен газов: кислорода и углекислого газа. Правильный термин для этого явления - «вентиляция».

Напротив, клеточное дыхание происходит - как следует из названия - внутри клеток и является процессом, отвечающим за выработку энергии через цепь переноса электронов. Этот последний процесс и будет обсуждаться в этой статье.

Где происходит клеточное дыхание?

Расположение дыхания у эукариот

Митохондрии

Клеточное дыхание происходит в сложной органелле, называемой митохондриями. Структурно митохондрии имеют ширину 1,5 мкм и длину от 2 до 8 мкм. Для них характерно наличие собственного генетического материала и деление на бинарное деление - рудиментарные характеристики их эндосимбиотического происхождения.

У них две перепонки, гладкая и внутренняя со складками, образующими гребни. Чем активнее митохондрии, тем больше у них гребней.

Внутренняя часть митохондрии называется митохондриальным матриксом. В этом отсеке находятся ферменты, коферменты, вода и фосфаты, необходимые для респираторных реакций.

Наружная мембрана позволяет проходить большинству небольших молекул. Однако именно внутренняя мембрана фактически ограничивает прохождение через очень специфические транспортеры. Проницаемость этой структуры играет фундаментальную роль в производстве АТФ.

Количество митохондрий

Ферменты и другие компоненты, необходимые для клеточного дыхания, закреплены в мембранах и свободны в матриксе митохондрий.

Следовательно, клетки, которым требуется большее количество энергии, характеризуются большим количеством митохондрий, в отличие от клеток, потребность в энергии которых ниже.

Например, клетки печени имеют в среднем 2500 митохондрий, в то время как мышечная клетка (высоко метаболически активная) содержит гораздо большее количество, а митохондрии этого типа клеток больше.

Кроме того, они расположены в определенных областях, где требуется энергия, например, вокруг жгутика сперматозоидов.

Расположение прокариотического дыхания

Логично, что прокариотическим организмам необходимо дышать, и у них нет митохондрий - и сложных органелл, характерных для эукариот. По этой причине дыхательный процесс происходит в небольших инвагинациях плазматической мембраны, аналогично тому, как это происходит в митохондриях.

Типы

Есть два основных типа дыхания, в зависимости от молекулы, которая действовала как конечный акцептор электронов. В аэробном дыхании акцептором является кислород, а в анаэробном - неорганическая молекула, хотя в некоторых конкретных случаях акцептором является органическая молекула. Мы подробно опишем каждый из них ниже:

Аэробного дыхания

В организмах с аэробным дыханием конечным акцептором электронов является кислород. Происходящие шаги делятся на цикл Кребса и цепь переноса электронов.

Подробное объяснение реакций, происходящих в этих биохимических путях, будет разработано в следующем разделе.

Анэробное дыхание

Конечный акцептор состоит из молекулы, отличной от кислорода. Количество АТФ, образующегося при анаэробном дыхании, зависит от нескольких факторов, включая исследуемый организм и используемый путь.

Однако производство энергии всегда выше при аэробном дыхании, так как цикл Кребса работает только частично, и не все молекулы-переносчики в цепи участвуют в дыхании.

По этой причине рост и развитие анаэробных особей значительно ниже, чем у аэробных.

Примеры анаэробных организмов

Для некоторых организмов кислород токсичен, и их называют строгими анаэробами. Самый известный пример - бактерия, вызывающая столбняк и ботулизм: Clostridium.

Кроме того, существуют другие организмы, которые могут чередовать аэробное и анаэробное дыхание, их называют факультативными анаэробами. Другими словами, они используют кислород тогда, когда им это удобно, а при его отсутствии прибегают к анаэробному дыханию. Например, этим метаболизмом обладает известная бактерия Escherichia coli.

Некоторые бактерии могут использовать нитрат-ион (NO ₃ ^- ) в качестве конечного акцептора электронов, например, роды Pseudomonas и Bacillus. Указанный ион может быть восстановлен до нитрит-иона, закиси азота или газообразного азота.

В других случаях конечный акцептор состоит из сульфат-иона (SO ₄ ^2- ), который дает сероводород и использует карбонат для образования метана. Бактерии рода Desulfovibrio являются примером акцептора этого типа.

Этот прием электронов в молекулах нитратов и сульфатов имеет решающее значение в биогеохимических циклах этих соединений - азота и серы.

Обработать

Гликолиз - это путь, предшествующий клеточному дыханию. Он начинается с молекулы глюкозы, а конечный продукт - пируват, трехуглеродная молекула. Гликолиз происходит в цитоплазме клетки. Эта молекула должна иметь возможность проникать в митохондрии для продолжения своего распада.

Пируват может диффундировать через градиенты концентрации в органеллы через поры мембраны. Конечным пунктом назначения будет матрица митохондрий.

Перед тем, как вступить в первую стадию клеточного дыхания, молекула пирувата претерпевает определенные модификации.

Во-первых, он реагирует с молекулой, называемой коферментом А. Каждый пируват расщепляется на диоксид углерода и ацетильную группу, которая связывается с коферментом А, давая начало комплексу ацетил-кофермент А.

В этой реакции два электрона и ион водорода переносятся на НАДФ ⁺ , образуя НАДН, и она катализируется ферментным комплексом пируватдегидрогеназа. Для реакции требуется ряд кофакторов.

После этой модификации в дыхании начинаются две стадии: цикл Кребса и цепь переноса электронов.

Цикл Кребса

Цикл Кребса - одна из важнейших циклических реакций в биохимии. Он также известен в литературе как цикл лимонной кислоты или цикл трикарбоновых кислот (TCA).

Он назван в честь его первооткрывателя: немецкого биохимика Ганса Кребса. В 1953 году Кребс был удостоен Нобелевской премии за это открытие, которое ознаменовало собой область биохимии.

Целью цикла является постепенное высвобождение энергии, содержащейся в ацетилкоферменте А. Он состоит из серии реакций окисления и восстановления, которые передают энергию различным молекулам, в основном НАД ⁺ .

На каждые две молекулы ацетилкофермента А, которые входят в цикл, высвобождается четыре молекулы диоксида углерода, генерируются шесть молекул НАДН и две молекулы ФАДН ₂ . CO ₂ выбрасывается в атмосферу как отходы технологического процесса. GTP также генерируется.

Поскольку этот путь участвует как в анаболических (синтез молекул), так и в катаболических (разрушение молекул) процессах, его называют «амфиболическим».

Реакции цикла Кребса

Цикл начинается со слияния молекулы ацетилкофермента А с молекулой оксалоацетата. Этот союз дает начало шестиуглеродной молекуле: цитрату. Таким образом, высвобождается кофермент А. Фактически он многократно используется повторно. Если в клетке слишком много АТФ, этот шаг запрещается.

Вышеупомянутая реакция требует энергии и получает ее от разрыва высокоэнергетической связи между ацетильной группой и коферментом А.

Цитрат преобразуется в цис-аконитат, а фермент аконитаза - в изоцитрат. Следующим шагом является превращение изоцитрата в альфа-кетоглутарат дегидрированным изоцитратом. Этот этап актуален, потому что он приводит к снижению NADH и высвобождению диоксида углерода.

Альфа-кетоглутарат превращается в сукцинилкофермент А альфа-кетоглутаратдегидрогеназой, которая использует те же кофакторы, что и пируваткиназа. НАДН также генерируется на этом этапе и на начальном этапе ингибируется избытком АТФ.

Следующий продукт - сукцинат. При его производстве происходит образование ГТФ. Сукцинат превращается в фумарат. Эта реакция дает FADH. Фумарат, в свою очередь, становится малатом и, наконец, оксалоацетатом.

Цепь переноса электронов

Цель цепи переноса электронов состоит в том, чтобы забрать электроны из соединений, образованных на предыдущих этапах, таких как НАДН и ФАДН ₂ , которые находятся на высоком уровне энергии, и привести их к более низкому энергетическому уровню.

Это уменьшение энергии происходит поэтапно, то есть не происходит внезапно. Он состоит из серии этапов, на которых происходят окислительно-восстановительные реакции.

Основные компоненты цепи - это комплексы, образованные белками и ферментами, связанными с цитохромами: металлопорфирины гемового типа.

Цитохромы очень похожи по своей структуре, хотя у каждого из них есть особенность, которая позволяет ему выполнять свою определенную функцию в цепочке, распевая электроны на разных уровнях энергии.

Движение электронов по дыхательной цепи на более низкие уровни вызывает высвобождение энергии. Эта энергия может быть использована в митохондриях для синтеза АТФ в процессе, известном как окислительное фосфорилирование.

Хемосмотическая связь

Долгое время механизм образования АТФ в цепи был загадкой, пока биохимик Питер Митчелл не предложил хемосмотическое связывание.

В этом явлении на внутренней митохондриальной мембране устанавливается протонный градиент. Энергия, содержащаяся в этой системе, высвобождается и используется для синтеза АТФ.

Количество образовавшегося АТФ

Как мы видели, АТФ образуется не непосредственно в цикле Кребса, а в цепи переноса электронов. На каждые два электрона, которые переходят от НАДН к кислороду, происходит синтез трех молекул АТФ. Эта оценка может несколько отличаться в зависимости от использованной литературы.

Точно так же на каждые два электрона, которые проходят от FADH ₂ , образуются две молекулы АТФ.

Характеристики

Основная функция клеточного дыхания - это выработка энергии в форме АТФ, чтобы направлять ее на функции клетки.

И животным, и растениям необходимо извлекать химическую энергию, содержащуюся в органических молекулах, которые они используют в пищу. В случае овощей эти молекулы представляют собой сахара, которые само растение синтезирует с использованием солнечной энергии в знаменитом процессе фотосинтеза.

С другой стороны, животные не способны синтезировать собственную пищу. Таким образом, гетеротрофы потребляют пищу в рационе - например, мы. Процесс окисления отвечает за извлечение энергии из пищи.

Не следует путать функции фотосинтеза с функциями дыхания. Растения, как и животные, тоже дышат. Оба процесса дополняют друг друга и поддерживают динамику живого мира.

Ссылки

1. Альбертс Б. и Брей Д. (2006). Введение в клеточную биологию. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Биология: жизнь на Земле. Образование Пирсона.
3. Кертис, Х., и Шнек, А. (2008). Кертис. Биология. Panamerican Medical Ed.
4. Хикман, С.П., Робертс, Л.С., Ларсон, А., Обер, В.К., и Гаррисон, К. (2007). Интегральные принципы зоологии. McGraw-Hill.
5. Рэндалл, Д., Бурггрен, В., Френч, К., и Эккерт, Р. (2002). Физиология животных Эккерта. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, и Case, CL (2007). Введение в микробиологию. Panamerican Medical Ed.
7. Янг Б., Хит Дж. У., Лоу Дж. С., Стивенс А. и Уитер, ПР (2000). Функциональная гистология: текст и атлас в цвете. Харкорт.