Cellular respiration proces, typer og funktioner



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

Den endelige elektronacceptors karakter afhænger af den respirationstype, der er undersøgt af organismen. I aerobes - som Homo sapiens - er den sidste elektronacceptor ilt. I modsætning hertil kan personer med anaerob respiration være giftige. I sidstnævnte tilfælde er den endelige acceptor et uorganisk molekyle, der er forskelligt fra oxygen.

Aerob åndedræt er blevet studeret bredt af biokemister og består af to faser: Krebs cyklen og elektron transportkæden.

I eukaryotiske organismer er alt det nødvendige udstyr til åndedræt inde i mitokondrier, både i mitokondriematrixen og i membransystemet i denne organelle..

Maskinen består af enzymer, som katalyserer reaktionerne i processen. Den prokaryote linie er karakteriseret ved fraværet af organeller; Af denne grund opstår der respiration i specifikke regioner i plasmamembranen, som simulerer et miljø meget ligner mitokondriens..

indeks

  • 1 Terminologi
  • 2 Hvor forekommer der cellulær respiration??
    • 2.1 Angivelse af respiration i eukaryoter
    • 2,2 Antal mitokondrier
    • 2.3 Placering af prokaryotisk åndedræt
  • 3 typer
    • 3.1 Aerob åndedræt
    • 3.2 Anerbisk åndedræt
    • 3.3 Eksempler på anaerobe organismer
  • 4 proces
    • 4.1 Krebs-cyklen
    • 4.2 Reaktioner af Krebs-cyklen
    • 4.3 Elektrontransportkæden
    • 4.4 Kemosmotisk kobling
    • 4.5 Mængden af ​​ATP dannet
  • 5 funktioner
  • 6 referencer

terminologi

På området fysiologi har udtrykket "respiration" to definitioner: lungeskade og cellulær respiration. Når vi bruger ordet respiration i hverdagen, henviser vi til den første type.

Lungedræt indebærer virkningen af ​​inspirerende og udløb, denne proces resulterer i udveksling af gasser: ilt og kuldioxid. Det korrekte udtryk for dette fænomen er "ventilation".

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

Hvor forekommer der cellulær respiration??

Placering af respiration i eukaryoter

Cellular respiration finder sted i en kompleks organel kaldet mitokondrier. Strukturelt er mitokondrier 1,5 mikrometer brede og 2 til 8 lange. De er karakteriseret 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 intern med folder, der danner kantene. Jo mere aktive mitokondrier er, desto flere kamper har det.

Det indre af mitokondrier kaldes mitokondrie matrixen. I dette rum er enzymerne, coenzymerne, vand og fosfater nødvendige for respirationsreaktioner.

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

Antal mitokondrier

De enzymer og andre komponenter, der er nødvendige for cellulær respiration, findes forankret i membranerne og frit i mitokondriel matrixen.

Derfor er celler, der kræver en større mængde energi, karakteriseret ved at have et højt 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 større antal, og mitokondrier af denne celletype er større.

Derudover er disse placeret i bestemte regioner, hvor der kræves energi, for eksempel omkring sædvarkellum.

Placering af prokaryotisk åndedræt

Logisk behøver prokaryote organismer at trække vejret, og disse har ikke mitokondrier - eller komplekse organeller, der er karakteristiske for eukaryoter. Af denne grund foregår respirationsprocessen i små invaginationer af plasmamembranen, analogt med mitokondrier..

typen

Der er to grundlæggende typer af åndedræt, afhængigt af molekylet, der fungerede som den endelige acceptor af elektronerne. Ved aerob åndedræt er acceptoren ilt, mens det ved anaerob respiration er et uorganisk molekyle - selv om acceptoren i nogle sjældne tilfælde er et organisk molekyle. Næste vil vi beskrive hver enkelt i detaljer:

Aerob åndedræt

I organismer med aerob respiration er den endelige acceptor af elektroner ilt. De skridt, der opstår, er opdelt i Krebs-cyklen og elektrontransportkæden.

Den detaljerede forklaring af de reaktioner, der finder sted i disse biokemiske veje vil blive udviklet i det følgende afsnit.

Aneokobisk åndedræt

Den endelige acceptor består af et andet molekyle end oxygen. Mængden af ​​ATP genereret ved anaerob respiration afhænger af adskillige faktorer, herunder undersøgelsesorganisme og den anvendte rute..

Produktionen af ​​energi er imidlertid altid større i aerob åndedræt, da Krebs-cyklen kun virker delvist, og ikke alle transportmolekyler i kæden deltager i åndedræt

Af denne grund er væksten og udviklingen af ​​anaerobe individer signifikant lavere end aerobic.

Eksempler på anaerobe organismer

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

Derudover er der andre organismer, der kan skifte mellem aerob og anaerob respiration, kaldes fakultative anaerober. Med andre ord bruger de ilt, når det passer dem, og i mangel af det anvender de anaerob åndedræt. For eksempel den velkendte bakterie Escherichia coli har denne metabolisme.

Visse bakterier kan bruge nitration (NO3-) som den endelige acceptor af elektroner, såsom genren af Pseudomonas og Bacillus. Denne ion kan reduceres til nitrition, nitrogenoxid eller nitrogengas.

I andre tilfælde består den endelige acceptor af sulfationen (SO42-), som giver anledning til hydrogensulfid, og som bruger carbonat til dannelse af 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.

proces

Glykolyse er en tidligere vej til cellulær respiration. Det starter med et glukosemolekyle, og det endelige produkt er pyruvat, et tre-carbon molekyle. Glycolyse finder sted i cytoplasma af cellen. Dette molekyle skal kunne komme ind i mitokondrier for at fortsætte dets nedbrydning.

Pyruvat kan diffunde med koncentrationsgradienter ind i organellen gennem membranens porer. Det endelige bestemmelsessted vil være mitokondrierens matrix.

Inden der indtræder det første trin af cellulær respiration, gennemgår pyruvatmolekylet visse modifikationer.

For det første reagerer det med et molekyle kaldet coenzym A. Hvert pyruvat spaltes i carbondioxid og ind i acetylgruppen, der binder til coenzym A, hvilket giver anledning til acetylco-enzym A-komplekset..

I denne reaktion overføres to elektroner og en hydrogenion til NADP+, hvilket giver NADH og katalyseres af den enzymatiske komplekspyruvatdehydrogenase. Reaktionen har brug for en række cofaktorer.

Efter denne ændring begynder de to etaper inden for vejrtrækning: Krebs-cyklen og elektrontransportkæden.

Krebs-cyklen

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

Den modtager sit navn til ære for sin opdager: den tyske biokemist Hans Krebs. I 1953 blev Krebs tildelt Nobelprisen takket være denne opdagelse, der markerede området biokemi.

Formålet med cyklussen er den gradvise frigivelse af energien indeholdt i acetylco-enzym A. Den består af en række oxidations- og reduktionsreaktioner, som overfører energi til forskellige molekyler, hovedsagelig til NAD+.

For hvert to molekyler acetylcoenzym A, der kommer ind i cyklussen, frigives fire carbondioxidmolekyler, ses seks molekyler NADH og to af FADH genereres2. CO2 Det frigives til atmosfæren som affaldsstof i processen. GTP genereres også.

Da denne vej deltager i både anabole (molekylsyntese) og kataboliske (molekyledbrydelses) processer, kaldes det "amfibolisk".

Reaktioner af Krebs-cyklen

Cyklussen begynder med fusion af et molekyl acetylcoenzym A med et oxaloacetatmolekyle. Denne union resulterer i et seks-carbon molekyle: citrat. Således frigives coenzym A. Faktisk genbruges det et stort antal gange. Hvis der er meget ATP i cellen, hæmmes dette trin.

Ovenstående reaktion har brug for energi og er opnået ved nedbrydning af højenergibinding mellem acetylgruppen og coenzym A.

Citratet passerer til cis aconitato, og sker med isocitrat af enzymet aconitasa. Det næste trin er omdannelsen af ​​isocitrat til alfa ketoglutarat ved dehydrogeneret isocitrat. Denne fase er relevant, fordi det fører til reduktion af NADH og frigivelse af carbondioxid.

Alfa-ketoglutarat omdannes til succinylco-enzym A, ved alfa-ketoglutarat-dehydrogenase, der anvender de samme cofaktorer som pyruvatkinase. I dette trin genereres også NADH, og som det indledende trin hæmmes det af overskuddet af ATP.

Det næste produkt er succinat. I sin produktion forekommer dannelsen af ​​GTP. Succinatet passerer til fumarat. Denne reaktion giver FADH. Fumaratet bliver igen malat og endelig oxalacetat.

Elektron transportkæden

Elektrontransportkæden har til formål at tage elektroner fra forbindelserne frembragt i tidligere trin, såsom NADH og FADH2, der er på et højt energiniveau, og fører dem til et lavere energiniveau.

Dette fald i energi foregår trin for trin, det vil sige, det sker ikke bratt. Den består af en række trin, hvor der forekommer oxidationsreduktionsreaktioner.

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

Cytochromerne er ret ens i form af deres struktur, selvom hver især har en specificitet, der gør det muligt at udføre sin specifikke funktion inden for kæden, synger elektroner på forskellige energiniveauer..

Fordelingen af ​​elektroner gennem luftvejskæden til lavere niveauer, producerer frigivelse af energi. Denne energi kan anvendes i mitokondrier til syntetisering af ATP, i en proces kendt som oxidativ phosphorylering.

Kemosmotisk kobling

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

I dette fænomen etableres en protongradient gennem den indre mitokondriale membran. Energien i dette system frigives og bruges til at syntetisere ATP.

Mængden af ​​ATP dannet

Som vi så, danner ATP ikke direkte i Krebs-cyklen, men i elektrontransportkæden. For hver to elektroner, der passerer fra NADH til oxygen, forekommer syntesen af ​​tre molekyler af ATP. Dette skøn kan variere lidt afhængigt af litteraturen.

Tilsvarende for hver to elektroner, der passerer fra FADH2, to molekyler af ATP dannes.

funktioner

Den primære funktion af cellulær respiration er dannelsen af ​​energi i form af ATP for at lede det til cellens funktioner.

Både dyr og planter kræver ekstraktion af den kemiske energi indeholdt i de organiske molekyler, de bruger som fødevare. I tilfælde af grøntsager er disse molekyler de sukkerarter, som den samme plante syntetiserer med brugen af ​​solenergi i den berømte fotosyntetiske proces.

Dyr, derimod, er ikke i stand til at syntetisere deres egen mad. Således forbruger heterotrofer mad i kosten - som f.eks. Oxideringsprocessen er ansvarlig for at udvinde energi fra mad.

Vi må ikke forveksle fotosyntesefunktionerne med respirationsfunktionerne. Planter, ligesom dyr, trækker også vejret. Begge processer er komplementære og opretholder dynamikken i den levende verden.

referencer

  1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introduktion til cellebiologi. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B. E. (2003). Biologi: Livet på jorden. Pearson uddannelse.
  3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. biologi. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C. P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2007). Integrerede principper for zoologi. 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. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J. W., Lowe, J. S., Stevens, A., & Wheater, P.R. (2000). Funktionel histologi: tekst- og farveatlas. Harcourt.