Κυτταρική αναπνοή, τύποι και λειτουργίες



Το κυτταρική αναπνοή είναι μια διαδικασία που παράγει ενέργεια με τη μορφή ΑΤΡ (τριφωσφορική αδενοσίνη). Στη συνέχεια, αυτή η ενέργεια κατευθύνεται σε άλλες κυτταρικές διεργασίες. Κατά τη διάρκεια αυτού του φαινομένου, τα μόρια υποβάλλονται σε οξείδωση και τελικό αποδέκτη ηλεκτρονίων είναι, στις περισσότερες περιπτώσεις, ένα ανόργανο μόριο.

Η φύση του τελικού αποδέκτη ηλεκτρονίων εξαρτάται από τον τύπο αναπνοής του οργανισμού που μελετήθηκε. Σε αερόμπες - όπως ο Homo sapiens - ο τελικός δέκτης ηλεκτρονίων είναι οξυγόνο. Αντίθετα, για τα άτομα με αναερόβια αναπνοή, το οξυγόνο μπορεί να είναι τοξικό. Στην τελευταία αυτή περίπτωση, ο τελικός αποδέκτης είναι ένα ανόργανο μόριο διαφορετικό από το οξυγόνο.

Η αερόβια αναπνοή έχει μελετηθεί ευρέως από τους βιοχημικούς και αποτελείται από δύο στάδια: τον κύκλο Krebs και την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς, όλα τα μηχανήματα που είναι απαραίτητα για να πραγματοποιηθεί η αναπνοή είναι μέσα στα μιτοχόνδρια, τόσο στη μιτοχονδριακή μήτρα όσο και στο σύστημα μεμβράνης αυτού του οργανιδίου..

Η μηχανή αποτελείται από ένζυμα που καταλύουν τις αντιδράσεις της διαδικασίας. Η προκαρυωτική σειρά χαρακτηρίζεται από την απουσία οργανιδίων. Για το λόγο αυτό, η αναπνοή συμβαίνει σε συγκεκριμένες περιοχές της μεμβράνης πλάσματος που προσομοιάζουν ένα περιβάλλον πολύ παρόμοιο με αυτό των μιτοχονδρίων..

Ευρετήριο

  • 1 Ορολογία
  • 2 Πού συμβαίνει η κυτταρική αναπνοή;?
    • 2.1 Θέση της αναπνοής στους ευκαρυώτες
    • 2.2 Αριθμός μιτοχονδρίων
    • 2.3 Θέση της προκαρυωτικής αναπνοής
  • 3 τύποι
    • 3.1 Αερόβια αναπνοή
    • 3.2 Αγχώδης αναπνοή
    • 3.3 Παραδείγματα αναερόβιων οργανισμών
  • 4 Διαδικασία
    • 4.1 Ο κύκλος του Krebs
    • 4.2 Αντιδράσεις του κύκλου του Krebs
    • 4.3 Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων
    • 4.4 Χημοσμωτική σύζευξη
    • 4.5 Ποσότητα του ΑΤΡ που σχηματίστηκε
  • 5 Λειτουργίες
  • 6 Αναφορές

Ορολογία

Στον τομέα της φυσιολογίας, ο όρος "αναπνοή" έχει δύο ορισμούς: πνευμονική αναπνοή και κυτταρική αναπνοή. Όταν χρησιμοποιούμε τη λέξη αναπνοή στην καθημερινή ζωή, αναφέρουμε τον πρώτο τύπο.

Η αναπνοή των πνευμόνων περιλαμβάνει τη δράση εμπνεύσεως και λήξης, η οποία έχει ως αποτέλεσμα την ανταλλαγή αερίων: οξυγόνο και διοξείδιο του άνθρακα. Ο σωστός όρος για αυτό το φαινόμενο είναι ο "εξαερισμός".

Αντιθέτως, η κυτταρική αναπνοή λαμβάνει χώρα - όπως υπονοεί το όνομα - μέσα στα κύτταρα και είναι η διαδικασία που είναι υπεύθυνη για την παραγωγή ενέργειας μέσω μιας αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων. Αυτή η τελευταία διαδικασία είναι αυτή που θα συζητηθεί σε αυτό το άρθρο.

Πού συμβαίνει η κυτταρική αναπνοή;?

Θέση της αναπνοής στους ευκαρυώτες

Η κυτταρική αναπνοή λαμβάνει χώρα σε ένα πολύπλοκο οργανίδιο που ονομάζεται μιτοχόνδρια. Δομικά, τα μιτοχόνδρια έχουν πλάτος 1,5 μικρόμετρα και μήκος 2 έως 8. Χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι έχουν το δικό τους γενετικό υλικό και διαιρώντας με δυαδική σχάση - περιουσιακά χαρακτηριστικά της ενδοσμπιμωτικής τους προέλευσης.

Έχουν δύο μεμβράνες, μία λεία και μία εσωτερική με πτυχώσεις που σχηματίζουν τις κορυφογραμμές. Όσο πιο δραστικά είναι τα μιτοχόνδρια, τόσο πιο ψηλά έχουν.

Το εσωτερικό των μιτοχονδρίων ονομάζεται μιτοχονδριακός πίνακας. Σε αυτό το διαμέρισμα είναι τα ένζυμα, τα συνένζυμα, το νερό και τα φωσφορικά που είναι απαραίτητα για αναπνευστικές αντιδράσεις.

Η εξωτερική μεμβράνη επιτρέπει τη διέλευση των περισσότερων μικρών μορίων. Εντούτοις, η εσωτερική μεμβράνη είναι αυτή που ουσιαστικά περιορίζει τη διέλευση μέσω πολύ συγκεκριμένων μεταφορέων. Η διαπερατότητα αυτής της δομής διαδραματίζει θεμελιώδη ρόλο στην παραγωγή του ΑΤΡ.

Αριθμός μιτοχονδρίων

Τα ένζυμα και άλλα συστατικά που είναι απαραίτητα για την κυτταρική αναπνοή βρίσκονται αγκυρωμένα στις μεμβράνες και είναι ελεύθερα στη μιτοχονδριακή μήτρα.

Επομένως, τα κύτταρα που απαιτούν μεγαλύτερη ποσότητα ενέργειας, χαρακτηρίζονται από τον υψηλό αριθμό μιτοχονδρίων, σε αντίθεση με τα κύτταρα των οποίων η ενεργειακή απαίτηση είναι χαμηλότερη.

Για παράδειγμα, τα ηπατικά κύτταρα έχουν κατά μέσο όρο 2.500 μιτοχόνδρια, ενώ ένα μυϊκό κύτταρο (πολύ μεταβολικά ενεργό) περιέχει πολύ μεγαλύτερο αριθμό και τα μιτοχόνδρια αυτού του κυτταρικού τύπου είναι μεγαλύτερα.

Επιπλέον, αυτές βρίσκονται σε συγκεκριμένες περιοχές όπου απαιτείται ενέργεια, για παράδειγμα γύρω από το μαστό σπέρματος.

Θέση της προκαρυωτικής αναπνοής

Λογικά, προκαρυωτικοί οργανισμοί πρέπει να αναπνέει και δεν έχουν μιτοχόνδρια - οργανίδια και σύνθετα χαρακτηριστικά των ευκαρυωτικών οργανισμών. Ως εκ τούτου, η διαδικασία αναπνοής λαμβάνει χώρα σε μικρές εγκολπώσεις της μεμβράνης του πλάσματος, ανάλογο με αυτό που συμβαίνει στα μιτοχόνδρια.

Τύποι

Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι αναπνοής, ανάλογα με το μόριο που ενήργησε ως τελικός αποδέκτης των ηλεκτρονίων. Στην αερόβια αναπνοή, ο δέκτης είναι οξυγόνο, ενώ στην αναερόβια αναπνοή είναι ένα ανόργανο μόριο - αν και σε μερικές σπάνιες περιπτώσεις ο δέκτης είναι ένα οργανικό μόριο. Στη συνέχεια θα περιγράψουμε λεπτομερώς κάθε μία από αυτές:

Αερόβια αναπνοή

Σε οργανισμούς με αερόβια αναπνοή, ο τελικός δέκτης των ηλεκτρονίων είναι οξυγόνο. Τα βήματα που συμβαίνουν χωρίζονται στον κύκλο Krebs και στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Η λεπτομερής επεξήγηση των αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε αυτές τις βιοχημικές οδούς θα αναπτυχθεί στην επόμενη ενότητα.

Αναπνευστική αναπνοή

Ο τελικός αποδέκτης αποτελείται από ένα μόριο διαφορετικό από το οξυγόνο. Η ποσότητα του ΑΤΡ που παράγεται από αναερόβια αναπνοή εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, συμπεριλαμβανομένου του οργανισμού μελέτης και της χρησιμοποιούμενης οδού..

Ωστόσο, η παραγωγή ενέργειας είναι πάντα μεγαλύτερη στην αερόβια αναπνοή, δεδομένου ότι ο κύκλος του Krebs λειτουργεί μόνο εν μέρει και όχι όλα τα μόρια μεταφορέων στην αλυσίδα συμμετέχουν στην αναπνοή

Για το λόγο αυτό, η ανάπτυξη και ανάπτυξη αναερόβιων ατόμων είναι σημαντικά χαμηλότερη από την αεροβική.

Παραδείγματα αναερόβιων οργανισμών

Σε ορισμένους οργανισμούς το οξυγόνο είναι τοξικό και ονομάζεται αυστηρό αναερόβιο. Το πιο γνωστό παράδειγμα είναι το βακτήριο που προκαλεί τετάνου και αλλαντίασης: Clostridium.

Επιπλέον, άλλοι οργανισμοί που μπορούν να αλλάξουν μεταξύ αερόβιας αναπνοής και αναερόβια, προαιρετικά αναερόβιων εκφράσουν. Με άλλα λόγια, χρησιμοποιούν το οξυγόνο όταν τους βολεύει και σε περίπτωση απουσίας του αυτό το θέρετρο σε αναερόβια αναπνοή. Για παράδειγμα, το γνωστό βακτήριο Escherichia coli έχει αυτό το μεταβολισμό.

Ορισμένα βακτήρια μπορούν να χρησιμοποιούν ιόντα νιτρικών (NO3-) ως τελικός αποδέκτης ηλεκτρονίων, όπως τα είδη του Ψευδομονάδα και Bacillus. Αυτό το ιόν μπορεί να μειωθεί στο ιόν νιτρώδους αζώτου, στο νιτρώδες οξείδιο ή στο αέριο άζωτο.

Σε άλλες περιπτώσεις, ο τελικός δέκτης αποτελείται από το θειικό ιόν (SO42-) που δημιουργεί υδρόθειο και χρησιμοποιεί ανθρακικό για τον σχηματισμό μεθανίου. Το γένος των βακτηρίων Desulfovibrio είναι ένα παράδειγμα αυτού του τύπου δέκτη.

Αυτή η λήψη ηλεκτρονίων σε μόρια νιτρικών και θειικών αλάτων είναι κρίσιμη για τους βιογεωχημικούς κύκλους αυτών των ενώσεων - άζωτο και θείο.

Διαδικασία

Η γλυκόλυση είναι μια προηγούμενη οδός προς την κυτταρική αναπνοή. Αρχίζει με ένα μόριο γλυκόζης και το τελικό προϊόν είναι πυροσταφυλικό, ένα μόριο τριών ατόμων άνθρακα. Η γλυκόλυση λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα του κυττάρου. Αυτό το μόριο πρέπει να μπορεί να εισέλθει στα μιτοχόνδρια για να συνεχίσει την υποβάθμισή του.

Το πυροσταφυλικό μπορεί να διαχέεται με διαβαθμίσεις συγκέντρωσης στο οργανίδιο, μέσω των πόρων της μεμβράνης. Ο τελικός προορισμός θα είναι η μήτρα των μιτοχονδρίων.

Πριν από την είσοδο στο πρώτο στάδιο της κυτταρικής αναπνοής, το μόριο πυροσταφυλικού υποβάλλεται σε ορισμένες τροποποιήσεις.

Πρώτον, αντιδρά με ένα μόριο που ονομάζεται συνένζυμο Α. Κάθε πυροσταφυλικό διασπάται σε διοξείδιο του άνθρακα και στην ομάδα ακετυλίου, η οποία δεσμεύεται στο συνένζυμο Α, δημιουργώντας το σύμπλοκο ακετυλο-συνενζύμου Α..

Στην αντίδραση αυτή, δύο ηλεκτρόνια και ένα ιόν υδρογόνου μεταφέρονται στο NADP+, αποδίδοντας ΝΑϋΗ και καταλύεται από την ενζυματική σύνθετη πυροσταφυλική αφυδρογονάση. Η αντίδραση χρειάζεται μια σειρά συμπαραγόντων.

Μετά από αυτή την τροποποίηση, ξεκινούν τα δύο στάδια της αναπνοής: ο κύκλος Krebs και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων.

Ο κύκλος του Krebs

Ο κύκλος του Krebs είναι μία από τις σημαντικότερες κυκλικές αντιδράσεις στη βιοχημεία. Είναι επίσης γνωστό στη βιβλιογραφία ότι ο κύκλος του κιτρικού οξέος ή ο κύκλος του τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA).

Λαμβάνει το όνομά του προς τιμήν του ανακαλύπτω του: του γερμανικού βιοχημίστα Hans Krebs. Το 1953, το Krebs τιμήθηκε με το βραβείο Νόμπελ χάρη σε αυτή την ανακάλυψη που σημάδεψε το πεδίο της βιοχημείας.

Ο στόχος του κύκλου είναι η σταδιακή απελευθέρωση της ενέργειας που περιέχεται στο ακετυλο-συνένζυμο Α. Αποτελείται από μια σειρά αντιδράσεων οξείδωσης και αναγωγής που μεταφέρουν ενέργεια σε διαφορετικά μόρια, κυρίως στο NAD+.

Για κάθε δύο μόρια ακετυλο-συνενζύμου Α που εισέρχονται στο κύκλο, κυκλοφορούν τέσσερα μόρια διοξειδίου του άνθρακα, παράγονται έξι μόρια NADH και δύο FADH2. Το CO2 Απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα ως απορριπτόμενη ουσία της διαδικασίας. Δημιουργείται επίσης GTP.

Καθώς αυτή η πορεία συμμετέχει τόσο στις αναβολικές (σύνθεση των μορίων) όσο και στις καταβολικές (αποικοδόμηση μορίων), ονομάζεται "αμφίβιο".

Αντιδράσεις του κύκλου του Krebs

Ο κύκλος αρχίζει με τη σύντηξη ενός μορίου ακετυλο-συνενζύμου Α με ένα μόριο οξαλοξικού. Αυτή η ένωση έχει σαν αποτέλεσμα ένα μόριο έξι ατόμων άνθρακα: κιτρικό. Έτσι, απελευθερώνεται το συνένζυμο Α. Στην πραγματικότητα, επαναχρησιμοποιείται πολλές φορές. Εάν υπάρχει πολύ ATP στο κελί, αυτό το βήμα αναστέλλεται.

Η παραπάνω αντίδραση χρειάζεται ενέργεια και λαμβάνεται από τη διάσπαση του δεσμού υψηλής ενέργειας μεταξύ της ακετυλομάδας και του συνενζύμου Α.

Το κιτρικό άλας περνά στο cis aconitato, και συμβαίνει σε ισότοτρο από το ένζυμο aconitasa. Το επόμενο βήμα είναι η μετατροπή του ισοκυτριτικού σε άλφα κετογλουταρικό με αφυδρογονωμένο ισοκυκράτη. Αυτό το στάδιο είναι σημαντικό επειδή οδηγεί στη μείωση του NADH και απελευθερώνει διοξείδιο του άνθρακα.

Η Alpha κετογλουταρικού μετατρέπεται σε ηλεκτρινύλ συνένζυμο Α, αλφα κετογλουταρική αφυδρογονάση, η οποία χρησιμοποιεί τα ίδια συμπαράγοντες πυροσταφυλική κινάση. Σε αυτό το βήμα ΝΑϋΗ είναι επίσης παράγεται και, ως το πρώτο βήμα, αναστέλλεται από την περίσσεια ΑΤΡ.

Το επόμενο προϊόν είναι ηλεκτρικό. Στην παραγωγή του, εμφανίζεται ο σχηματισμός GTP. Το ηλεκτρικό μεταφέρεται σε φουμαρικό. Αυτή η αντίδραση αποδίδει FADH. Το φουμαρικό, με τη σειρά του, γίνεται μηλικό και τελικά οξαλικό άλας.

Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων

Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων στοχεύει να πάρει ηλεκτρόνια από τις ενώσεις που δημιουργούνται σε προηγούμενα στάδια, όπως το NADH και το FADH2, που βρίσκονται σε υψηλό επίπεδο ενέργειας και οδηγούν σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο.

Αυτή η μείωση της ενέργειας λαμβάνει χώρα βήμα προς βήμα, δηλαδή, δεν συμβαίνει απότομα. Αποτελείται από μια σειρά βημάτων όπου συμβαίνουν αντιδράσεις μείωσης οξείδωσης.

Οι κύριες συνιστώσες της αλυσίδας είναι σύμπλοκα που σχηματίζονται από πρωτεΐνες και ένζυμα συζευγμένα κυτοχρώματα: Μεταλλοπορφυρίνες τύπου αίμης.

Τα κυτοχρώματα είναι αρκετά παρόμοια στη δομή τους, αν και το καθένα έχει ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό σας επιτρέπει να εκτελέσετε συγκεκριμένες λειτουργία του εντός της αλυσίδας, τραγουδώντας τα ηλεκτρόνια σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας.

Η μετατόπιση των ηλεκτρονίων μέσω της αναπνευστικής αλυσίδας σε χαμηλότερα επίπεδα, παράγει την απελευθέρωση ενέργειας. Αυτή η ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί στα μιτοχόνδρια για τη σύνθεση ATP, με μια διαδικασία γνωστή ως οξειδωτική φωσφορυλίωση.

Χημοσμωτική σύζευξη

Για μεγάλο χρονικό διάστημα ο μηχανισμός σχηματισμού της ΑΤΡ στην αλυσίδα ήταν ένα αίνιγμα μέχρι το βιοχημικό Peter Mitchell προτείνει την σύζευξη chemiosmotic.

Σε αυτό το φαινόμενο, δημιουργείται βαθμίδα πρωτονίων μέσω της εσωτερικής μιτοχονδριακής μεμβράνης. Η ενέργεια που περιέχεται σε αυτό το σύστημα απελευθερώνεται και χρησιμοποιείται για τη σύνθεση του ΑΤΡ.

Η ποσότητα του ΑΤΡ που σχηματίστηκε

Όπως είδαμε, η ATP δεν διαμορφώνεται άμεσα στον κύκλο του Krebs, αλλά στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων. Για κάθε δύο ηλεκτρόνια που περνούν από NADH σε οξυγόνο, συμβαίνει η σύνθεση τριών μορίων ΑΤΡ. Η εκτίμηση αυτή μπορεί να διαφέρει ελαφρώς ανάλογα με τη βιβλιογραφία που χρησιμοποιήθηκε.

Ομοίως, για κάθε δύο ηλεκτρόνια που περνούν από το FADH2, δημιουργούνται δύο μόρια ΑΤΡ.

Λειτουργίες

Η κύρια λειτουργία της κυτταρικής αναπνοής είναι η παραγωγή ενέργειας με τη μορφή ΑΤΡ προκειμένου να την κατευθύνει στις λειτουργίες του κυττάρου.

Και τα ζώα και τα φυτά απαιτούν την εξαγωγή της χημικής ενέργειας που περιέχεται στα οργανικά μόρια που χρησιμοποιούν ως τρόφιμα. Στην περίπτωση των φυτών, αυτά τα μόρια είναι σάκχαρα που συνθέτει την ίδια μονάδα με τη χρήση ηλιακής ενέργειας στη φωτοσυνθετική διαδικασία διάσημη.

Τα ζώα, από την άλλη πλευρά, δεν είναι σε θέση να συνθέσουν τη δική τους τροφή. Έτσι, τα ετερότροπα καταναλώνουν τρόφιμα στη διατροφή - όπως και εμάς, για παράδειγμα. Η διαδικασία οξείδωσης είναι υπεύθυνη για την εξαγωγή ενέργειας από τα τρόφιμα.

Δεν πρέπει να συγχέουμε τις λειτουργίες της φωτοσύνθεσης με αυτές της αναπνοής. Φυτά, όπως τα ζώα, αναπνέουν επίσης. Και οι δύο διαδικασίες είναι συμπληρωματικές και διατηρούν τη δυναμική του ζωντανού κόσμου.

Αναφορές

  1. Alberts, Β., & Bray, D. (2006). Εισαγωγή στη βιολογία των κυττάρων. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, Τ., Audesirk, G., & Byers, Β. Ε (2003). Βιολογία: Η ζωή στη Γη. Εκπαίδευση Pearson.
  3. Curtis, Η., & Schnek, Α. (2008). Curtis. Βιολογία. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C.Ρ., Roberts, L.S., Larson, Α., Ober, W.C., & Garrison, C. (2007). Ολοκληρωμένες αρχές της ζωολογίας. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., French, Κ., & Eckert, R. (2002). Eqert φυσιολογία των ζώων. Macmillan.
  6. Tortora, G.J., Funke, Β. R., & Case, C.L. (2007). Εισαγωγή στη μικροβιολογία. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, Β., Heath, J.W., Lowe, J.S., Stevens, Α., & Wheater, P.R. (2000). Λειτουργική ιστολογία: κείμενο και έγχρωμος άτλας. Harcourt.