Cellular respirasjonsprosess, typer og funksjoner

1326
Jonah Lester

De cellulær respirasjon det er en prosess som genererer energi i form av ATP (adenosintrifosfat). Deretter er denne energien rettet mot andre cellulære prosesser. Under dette fenomenet gjennomgår molekylene oksidasjon, og den endelige akseptoren for elektronene er i de fleste tilfeller et uorganisk molekyl..

Naturen til den endelige elektronakseptoren avhenger av typen respirasjon av den studerte organismen. I aerobes - som Homo sapiens - er den siste elektronakseptoren oksygen. Derimot kan oksygen være giftig for anaerobe åndedrettsvern. I sistnevnte tilfelle er den endelige akseptoren et uorganisk molekyl annet enn oksygen..

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

Aerob respirasjon er grundig undersøkt av biokjemikere og består av to trinn: Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden..

I eukaryote organismer er alt det maskineriet som er nødvendig for at respirasjonen skal finne sted inne i mitokondriene, både i mitokondriematrisen og i membransystemet til denne organellen..

Maskineriet består av enzymer som katalyserer reaksjonene i prosessen. Den prokaryote avstamningen er preget av fraværet av organeller; av denne grunn forekommer respirasjon i spesifikke regioner av plasmamembranen som simulerer et miljø som ligner på mitokondriene.

Artikkelindeks

  • 1 Terminologi
  • 2 Hvor forekommer cellulær respirasjon?
    • 2.1 Plassering av respirasjon i eukaryoter
    • 2.2 Antall mitokondrier
    • 2.3 Plassering av prokaryot respirasjon
  • 3 typer
    • 3.1 Aerob respirasjon
    • 3.2 Anerob respirasjon
    • 3.3 Eksempler på anaerobe organismer
  • 4 Prosess
    • 4.1 Krebs-syklusen
    • 4.2 Reaksjoner i Krebs-syklusen
    • 4.3 Elektrontransportkjeden
    • 4.4 Kjemosmotisk kobling
    • 4.5 Dannet mengde ATP
  • 5 funksjoner
  • 6 Referanser

Terminologi

Innen fysiologi har begrepet "respirasjon" to definisjoner: lungepust og cellulær respirasjon. Når vi bruker ordet pust i hverdagen, viser vi til den første typen.

Pulmonal respirasjon omfatter virkningen av å puste inn og ut, denne prosessen resulterer i utveksling av gasser: oksygen og karbondioksid. Den riktige betegnelsen på dette fenomenet er "ventilasjon".

I motsetning til dette skjer cellulær respirasjon - som navnet antyder - inne i celler og er prosessen som har ansvaret for å generere energi gjennom en elektrontransportkjede. Denne siste prosessen er den som vil bli diskutert i denne artikkelen..

Hvor forekommer cellulær respirasjon?

Plassering av respirasjon i eukaryoter

Mitokondrier

Cellular respirasjon finner sted i en kompleks organell kalt mitokondrion. Strukturelt sett er mitokondriene 1,5 mikrometer brede og 2 til 8 mikrometer lange. De er preget av å ha sitt eget genetiske materiale og ved å dele på binær fisjon - vestigiale egenskaper ved deres endosymbiotiske opprinnelse..

De har to membraner, en glatt og en indre med bretter som danner ryggene. Jo mer aktiv mitokondriene er, jo flere rygger har den.

Det indre av mitokondrien kalles mitokondriell matrise. I dette rommet er enzymer, koenzymer, vann og fosfater nødvendige for åndedrettsreaksjoner.

Den ytre membranen tillater passering av de fleste små molekyler. Imidlertid er det den indre membranen som faktisk begrenser passering gjennom veldig spesifikke transportører. Permeabiliteten til denne strukturen spiller en grunnleggende rolle i produksjonen av ATP.

Antall mitokondrier

Enzymer og andre komponenter som er nødvendige for cellulær respirasjon, er funnet forankret i membranene og frie i mitokondrie-matrisen..

Derfor er celler som krever større mengde energi preget av å ha et høyt antall mitokondrier, i motsetning til celler hvis energibehov er lavere..

For eksempel har leverceller i gjennomsnitt 2500 mitokondrier, mens en muskelcelle (veldig metabolsk aktiv) inneholder et mye høyere tall, og mitokondriene av denne celletypen er større.

I tillegg er disse lokalisert i de spesifikke områdene der det kreves energi, for eksempel rundt sædflagg..

Plassering av prokaryot respirasjon

Logisk sett trenger prokaryote organismer å puste, og de har ikke mitokondrier - og heller ikke komplekse organeller som er karakteristiske for eukaryoter. Av denne grunn foregår respirasjonsprosessen i små invaginasjoner av plasmamembranen, analogt med det som skjer i mitokondrier..

Typer

Det er to grunnleggende typer respirasjon, avhengig av molekylet som fungerte som den endelige akseptoren for elektronene. I aerob respirasjon er akseptoren oksygen, mens den i anaerob er et uorganisk molekyl - selv om akseptoren i noen få spesifikke tilfeller er et organisk molekyl. Vi vil beskrive hver enkelt i detalj nedenfor:

Aerobisk respirasjon

I aerobe respirasjonsorganismer er den endelige elektronakseptoren oksygen. Trinnene som oppstår er delt inn i Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden.

Den detaljerte forklaringen på reaksjonene som finner sted i disse biokjemiske banene vil bli utviklet i neste avsnitt.

Anerob respirasjon

Den endelige akseptoren består av et annet molekyl enn oksygen. Mengden ATP generert av anaerob respirasjon avhenger av flere faktorer, inkludert organismen som studeres og ruten som brukes..

Imidlertid er energiproduksjonen alltid høyere i aerob respirasjon, siden Krebs-syklusen bare fungerer delvis og ikke alle transportmolekyler i kjeden deltar i respirasjon.

Av denne grunn er veksten og utviklingen av anaerobe individer betydelig mindre enn aerobe..

Eksempler på anaerobe organismer

I noen organismer er oksygen giftig, og de kalles strenge anaerober. Det mest kjente eksemplet er det av bakteriene som forårsaker stivkrampe og botulisme: Clostridium.

I tillegg er det andre organismer som kan veksle mellom aerob og anaerob respirasjon, og kaller seg fakultative anaerober. Med andre ord, de bruker oksygen når det passer dem, og i fravær av det tyr de til anaerob respirasjon. For eksempel den velkjente bakterien Escherichia coli har dette stoffskiftet.

Enkelte bakterier kan bruke nitrationet (NO3-) som endelig elektronakseptor, slik som slekten til Pseudomonas Y Bacillus. Nevnte ion kan reduseres til nitrittion, lystgass eller nitrogengass.

I andre tilfeller består den endelige akseptoren av sulfationen (SO4to-) som gir hydrogensulfid og bruker karbonat til å danne metan. Slekten til bakterier Desulfovibrio er et eksempel på denne typen akseptorer.

Denne mottakelsen av elektroner i nitrat- og sulfatmolekyler er avgjørende i de biogeokjemiske syklusene til disse forbindelsene - nitrogen og svovel..

Prosess

Glykolyse er en vei før cellulær respirasjon. Det starter med et glukosemolekyl og sluttproduktet er pyruvat, et tre-karbonmolekyl. Glykolyse finner sted i celleplasten. Dette molekylet må kunne komme inn i mitokondriene for å fortsette nedbrytningen.

Pyruvat kan diffundere gjennom konsentrasjonsgradienter inn i organellen, gjennom porene i membranen. Den endelige destinasjonen vil være matrisen til mitokondriene.

Før du går inn i det første trinnet av cellulær respirasjon, gjennomgår pyruvatmolekylet visse modifikasjoner.

For det første reagerer det med et molekyl kalt koenzym A. Hvert pyruvat spaltes i karbondioksid og acetylgruppen, som binder til koenzym A, og gir opphav til aceylkoenzym A-komplekset..

I denne reaksjonen overføres to elektroner og et hydrogenion til NADP+, gir NADH og katalyseres av pyruvat-dehydrogenase-enzymkomplekset. Reaksjonen krever en serie medfaktorer.

Etter denne modifiseringen begynner de to trinnene innen respirasjon: Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden..

Krebs-syklusen

Krebs-syklusen er en av de viktigste sykliske reaksjonene i biokjemi. Det er også kjent i litteraturen som sitronsyresyklus eller trikarboksylsyresyklus (TCA).

Det er oppkalt til ære for oppdageren: den tyske biokjemikeren Hans Krebs. I 1953 ble Krebs tildelt Nobelprisen for denne oppdagelsen som markerte feltet biokjemi..

Målet med syklusen er gradvis frigjøring av energien i acetylkoenzym A. Den består av en serie oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner som overfører energi til forskjellige molekyler, hovedsakelig NAD+.

For hvert to molekyler av acetylkoenzym A som går inn i syklusen frigjøres fire molekyler karbondioksid, seks molekyler NADH og to av FADH genereres.to. COto det frigjøres i atmosfæren som et avfall fra prosessen. GTP genereres også.

Ettersom denne banen deltar i både anabole (molekylesyntese) og katabolske (molekylnedbrytning) prosesser, kalles den "amfibolisk".

Krebs-syklusreaksjoner

Syklusen begynner med fusjonen av et acetylkoenzym A-molekyl med et oksaloacetatmolekyl. Denne foreningen gir opphav til et seks-karbonmolekyl: sitrat. Dermed frigjøres koenzym A. Det brukes faktisk mange ganger. Hvis det er mye ATP i cellen, hindres dette trinnet.

Ovennevnte reaksjon krever energi og oppnår den ved å bryte høyenergibindingen mellom acetylgruppen og koenzym A.

Sitrat omdannes til cis-aconitat, og omdannes til isocitrat av enzymet aconitase. Det neste trinnet er omdannelsen av isocitrat til alfa ketoglutarat av dehydrogenert isocitrat. Dette stadiet er relevant fordi det fører til reduksjon av NADH og frigjør karbondioksid..

Alfa ketoglutarat omdannes til succinylkoenzym A av alfa ketoglutarat dehydrogenase, som bruker de samme kofaktorene som pyruvat kinase. NADH blir også generert i dette trinnet, og som det første trinnet, blir det inhibert av overflødig ATP..

Neste produkt er succinat. I produksjonen oppstår dannelsen av GTP. Succinatet blir fumarat. Denne reaksjonen gir FADH. Fumarat blir i sin tur malat og til slutt oksaloacetat.

Elektrontransportkjeden

Elektrontransportkjeden tar sikte på å ta elektronene fra forbindelsene som ble generert i tidligere trinn, for eksempel NADH og FADHto, som har et høyt energinivå, og fører dem til et lavere energinivå.

Denne reduksjonen i energi skjer trinnvis, det vil si at den ikke skjer brått. Den består av en serie trinn der redoksreaksjoner oppstår.

Hovedkomponentene i kjeden er komplekser dannet av proteiner og enzymer koblet til cytokromer: metalloporfyriner av hem-type.

Cytokromer er ganske like når det gjelder strukturen, selv om hver og en har en egenart som gjør at den kan utføre sin spesifikke funksjon i kjeden og synger elektroner på forskjellige energinivåer..

Bevegelsen av elektroner gjennom luftveiene til lavere nivåer gir frigjøring av energi. Denne energien kan brukes i mitokondriene til å syntetisere ATP, i en prosess kjent som oksidativ fosforylering..

Kjemosmotisk kobling

I lang tid var mekanismen for ATP-dannelse i kjeden en gåte, til biokjemikeren Peter Mitchell foreslo kjemosmotisk kobling.

I dette fenomenet etableres en protongradient over den indre mitokondriale membranen. Energien i dette systemet frigjøres og brukes til å syntetisere ATP.

Mengden ATP dannet

Som vi så, dannes ATP ikke direkte i Krebs-syklusen, men i elektrontransportkjeden. For hver to elektroner som passerer fra NADH til oksygen, oppstår syntesen av tre ATP-molekyler. Dette anslaget kan variere noe avhengig av litteraturen som er oppsøkt..

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

Funksjoner

Hovedfunksjonen til mobil respirasjon er generering av energi i form av ATP for å kunne lede den til funksjonene til cellen..

Både dyr og planter trenger å hente ut den kjemiske energien i de organiske molekylene de bruker til mat. Når det gjelder grønnsaker, er disse molekylene sukker som planten selv syntetiserer med bruk av solenergi i den berømte fotosyntetiske prosessen..

Dyr er derimot ikke i stand til å syntetisere sin egen mat. Dermed spiser heterotrofer mat i kostholdet - som for eksempel oss. Oksidasjonsprosessen er ansvarlig for å utvinne energi fra maten.

Vi bør ikke forveksle funksjonene til fotosyntese med respirasjonsfunksjonene. Planter, som dyr, puster også. Begge prosessene er komplementære og opprettholder dynamikken i den levende verden.

Referanser

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

Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.