Solun hengitysprosessi, tyypit ja toiminnot



soluhengitys se on prosessi, joka tuottaa energiaa ATP: n (adenosiinitrifosfaatin) muodossa. Tämän jälkeen tämä energia ohjataan muihin soluprosesseihin. Tämän ilmiön aikana molekyylit käyvät läpi hapettumisen ja lopullinen elektronin hyväksyjä on useimmissa tapauksissa epäorgaaninen molekyyli..

Lopullisen elektronin vastaanottajan luonne riippuu tutkitun organismin hengityksen tyypistä. Aerobeissa - kuten Homo sapiensissa - lopullinen elektronin hyväksyjä on happi. Sitä vastoin yksilöille, joilla on anaerobinen hengitys, happi voi olla myrkyllistä. Tässä viimeisessä tapauksessa lopullinen akseptori on epäorgaaninen molekyyli, joka on erilainen kuin happi.

Biokemistit ovat laajasti tutkineet aerobista hengitystä, ja se koostuu kahdesta vaiheesta: Krebsin sykli ja elektronin kuljetusketju.

Eukaryoottisissa organismeissa kaikki hengitykseen tarvittavat koneet ovat mitokondrioiden sisällä, sekä mitokondriaalisessa matriisissa että tämän organellin kalvojärjestelmässä..

Kone koostuu entsyymeistä, jotka katalysoivat prosessin reaktioita. Prokaryoottiselle linjalle on tunnusomaista organellien puuttuminen; Tästä syystä hengitys tapahtuu plasmamembraanin tietyillä alueilla, jotka simuloivat ympäristöä, joka on hyvin samanlainen kuin mitokondrioiden..

indeksi

  • 1 Terminologia
  • 2 Missä solun hengitys tapahtuu??
    • 2.1 Hengityksen sijainti eukaryooteissa
    • 2.2 Mitokondrioiden lukumäärä
    • 2.3 Prokaryoottisen hengityksen sijainti
  • 3 tyyppiä
    • 3.1 Aerobinen hengitys
    • 3.2 Anerbinen hengitys
    • 3.3 Esimerkkejä anaerobisista organismeista
  • 4 Prosessi
    • 4.1 Krebsin sykli
    • 4.2 Krebsin syklin reaktiot
    • 4.3 Elektronin kuljetusketju
    • 4.4 Kemosmootinen kytkentä
    • 4.5 Muodostuneen ATP: n määrä
  • 5 Toiminnot
  • 6 Viitteet

terminologia

Fysiologian alalla termillä "hengitys" on kaksi määritelmää: keuhkojen hengitys ja solujen hengitys. Kun käytämme sanaa hengitys jokapäiväisessä elämässä, viittaamme ensimmäiseen tyyppiin.

Keuhkojen hengitys sisältää inspiroivan ja päättyvän toiminnan, joka johtaa kaasujen vaihtoon: happea ja hiilidioksidia. Tämän ilmiön oikea termi on "ilmanvaihto".

Sitä vastoin solun hengitys tapahtuu - kuten nimikin merkitsee - solujen sisällä ja se on prosessi, joka vastaa energian tuottamisesta elektronin kuljetusketjun kautta. Tämä viimeinen prosessi käsitellään tässä artikkelissa.

Missä solun hengitys tapahtuu??

Hengityksen sijainti eukaryooteissa

Cellular hengitys tapahtuu monimutkaisessa organellissa nimeltä mitokondriot. Rakenteellisesti mitokondriot ovat 1,5 mikrometriä leveitä ja 2-8 pitkä. Niille on ominaista oma geneettinen materiaali ja jakamalla binäärinen fissio - niiden endosymbioottisen alkuperän lievittävät ominaisuudet..

Niissä on kaksi kalvoa, joista yksi on sileä ja yksi sisäpuolinen, jossa on taivutuksia. Mitä aktiivisemmin mitokondriot ovat, sitä enemmän crests on.

Mitokondrioiden sisätilaa kutsutaan mitokondriaaliseksi matriisiksi. Tässä osastossa ovat entsyymit, koentsyymit, vesi ja fosfaatit, joita tarvitaan hengitysteiden reaktioissa.

Ulompi kalvo mahdollistaa useimpien pienten molekyylien kulun. Sisäinen kalvo on kuitenkin se, joka itse asiassa rajoittaa kulkua hyvin spesifisten kuljettajien läpi. Tämän rakenteen läpäisevyydellä on keskeinen rooli ATP: n tuotannossa.

Mitokondrioiden lukumäärä

Solujen hengittämiseen tarvittavat entsyymit ja muut komponentit ovat ankkuroituja kalvoihin ja ne ovat vapaita mitokondriaalisessa matriisissa..

Siksi soluille, jotka tarvitsevat suuremman määrän energiaa, on tunnusomaista, että sillä on suuri määrä mitokondrioita, toisin kuin solut, joiden energiantarve on pienempi.

Esimerkiksi maksasoluilla on keskimäärin 2500 mitokondriaa, kun taas lihassolu (hyvin metabolisesti aktiivinen) sisältää paljon suuremman määrän ja tämän solutyypin mitokondriot ovat suurempia.

Lisäksi ne sijaitsevat tietyillä alueilla, joilla tarvitaan energiaa, esimerkiksi siittiön flagellumia ympäröivä.

Prokaryoottisen hengityksen sijainti

Loogisesti, prokaryoottisten organismien täytyy hengittää ja niissä ei ole mitokondrioita - eikä monimutkaisia ​​organukkeja, jotka ovat ominaisia ​​eukaryooteille. Tästä syystä hengitysprosessi tapahtuu plasman kalvon pienissä invaginaatioissa, analogisesti mitokondrioiden kanssa..

tyyppi

On olemassa kaksi hengitystyyppiä, riippuen molekyylistä, joka toimi elektronien lopullisena hyväksyjänä. Aerobisessa hengityksessä akseptori on happi, kun taas anaerobisessa hengityksessä se on epäorgaaninen molekyyli - vaikka joissakin harvoissa tapauksissa akseptori on orgaaninen molekyyli. Seuraavaksi kuvataan kukin yksityiskohtaisesti:

Aerobinen hengitys

Organismeissa, joissa on aerobista hengitystä, elektronien lopullinen hyväksyjä on happi. Tapahtumat jakautuvat Krebs-sykliin ja elektronin kuljetusketjuun.

Näissä biokemiallisissa reiteissä tapahtuvien reaktioiden yksityiskohtainen selitys kehitetään seuraavassa osassa.

Anechobinen hengitys

Lopullinen vastaanottaja koostuu muusta molekyylistä kuin hapesta. Anaerobisen hengityksen aiheuttama ATP: n määrä riippuu useista tekijöistä, mukaan lukien tutkimusorganismi ja käytetty reitti..

Energian tuotanto on kuitenkin aina suurempi aerobisessa hengityksessä, koska Krebs-sykli toimii vain osittain eikä kaikki ketjussa olevat siirtomolekyylit osallistu hengitykseen.

Tästä syystä anaerobisten yksilöiden kasvu ja kehitys on huomattavasti alhaisempi kuin aerobic.

Esimerkkejä anaerobisista organismeista

Joissakin organismeissa happi on myrkyllistä ja sitä kutsutaan anaerobeiksi. Tunnetuin esimerkki on tetanusta ja botulismia aiheuttava bakteeri: Clostridium.

Lisäksi on olemassa muitakin organismeja, jotka voivat vuorotellen aerobisen ja anaerobisen hengityksen välillä, joita kutsutaan kasvullisiksi anaerobeiksi. Toisin sanoen, he käyttävät happea, kun ne sopivat heille, ja ilman sitä ne käyttävät anaerobista hengitystä. Esimerkiksi tunnettu bakteeri Escherichia coli sillä on tämä aineenvaihdunta.

Tietyt bakteerit voivat käyttää nitraattia (NO3-) elektronien lopullisena vastaanottajana, kuten esimerkiksi genreinä pseudomonas ja basilli. Tämä ioni voidaan vähentää nitriitti-ioniksi, typpioksidi- tai typpikaasuksi.

Muissa tapauksissa lopullinen akseptori koostuu sulfaatti-ionista (SO42-), joka aiheuttaa rikkivetyä ja joka käyttää karbonaattia metaanin muodostamiseksi. Bakteerien suvu Desulfovibrio on esimerkki tämän tyyppisestä akseptorista.

Tämä elektronien vastaanotto nitraatti- ja sulfaattimolekyyleissä on ratkaisevan tärkeää näiden yhdisteiden biogeokemiallisissa syklissä - typpi ja rikki.

prosessi

Glykolyysi on aikaisempi reitti soluhengitykseen. Se alkaa glukoosimolekyylistä ja lopputuote on pyruvaatti, kolmen hiilen molekyyli. Glykolyysi tapahtuu solun sytoplasmassa. Tämän molekyylin on kyettävä pääsemään mitokondrioihin jatkaakseen sen hajoamista.

Pyruvaatti voi diffundoitua pitoisuusgradienttien avulla organelliin kalvon huokosten läpi. Lopullinen kohde on mitokondrioiden matriisi.

Ennen solun hengityksen ensimmäiseen vaiheeseen siirtymistä pyruvaattimolekyyli muutetaan tietyin tavoin.

Ensinnäkin se reagoi koentsyymi A: n kanssa kutsutun molekyylin kanssa. Kukin pyruvaatti lohkaistaan ​​hiilidioksidiksi ja asetyyli- ryhmäksi, joka sitoutuu koentsyymiin A, jolloin muodostuu asetyylikoentsyymi A-kompleksi..

Tässä reaktiossa kaksi elektronia ja yksi vetyioni siirretään NADP: hen+, saadaan NADH ja katalysoidaan entsymaattisella kompleksilla pyruvaatti-dehydrogenaasilla. Reaktioon tarvitaan sarja kofaktorit.

Tämän muutoksen jälkeen alkavat kaksi hengityksen vaihetta: Krebs-sykli ja elektronin kuljetusketju.

Krebsin sykli

Krebs-sykli on yksi tärkeimmistä syklisistä reaktioista biokemiassa. Kirjallisuudessa tunnetaan myös sitruunahapposykliä tai trikarboksyylihapposykliä (TCA).

Se saa nimensä kunniaksi sen löytäjälle: saksalaiselle biokemistille Hans Krebsille. Vuonna 1953 Krebsille myönnettiin Nobelin palkinto biokemian alaa koskevan löydöksen ansiosta.

Syklin tavoitteena on asetyyli-koentsyymiin A sisältyvän energian asteittainen vapautuminen. Se koostuu sarjasta hapetus- ja pelkistysreaktioita, jotka siirtävät energiaa eri molekyyleihin, pääasiassa NAD: iin.+.

Jokaiselle kahdelle asetyylikondensaasi A: n molekyylille, jotka tulevat sykliin, vapautuu neljä hiilidioksidimolekyyliä, kuusi NADH: n molekyyliä ja kaksi FADH: a.2. CO2 Se vapautuu ilmakehään prosessin jätemateriaalina. GTP syntyy myös.

Koska tämä reitti osallistuu sekä anabolisiin (molekyylisynteeseihin) että katabolisiin (molekyylien hajoamisprosessiin), sitä kutsutaan "amfiboliseksi"..

Krebs-jakson reaktiot

Sykli alkaa asetyyli-koentsyymi A: n molekyylin fuusiosta oksaloasetaattimolekyylin kanssa. Tämä liitos johtaa kuuden hiilen molekyyliin: sitraattiin. Näin ollen koentsyymi A vapautuu, ja sitä käytetään uudelleen suuressa määrin. Jos solussa on paljon ATP: tä, tämä vaihe on estetty.

Edellä mainittu reaktio tarvitsee energiaa ja se saadaan erittelemällä asetyyliryhmän ja koentsyymin A välinen suuri energialiitos.

Sitraatti kulkee cis aconitatoon, ja entsyymi aconitasa tapahtuu isositratoon. Seuraava vaihe on isositraatin konversio alfa-ketoglutaraatiksi dehydratoidulla isositraatilla. Tämä vaihe on merkityksellinen, koska se johtaa NADH: n vähenemiseen ja vapauttaa hiilidioksidia.

Alfa-ketoglutaraatti muunnetaan sukkinyyli-koentsyymiksi A alfa-ketoglutaraattidehydrogenaasilla, joka käyttää samat kofaktorit kuin pyruvaattikinaasilla. Tässä vaiheessa luodaan myös NADH, ja ATP: n ylitys estää sen alkuvaiheena.

Seuraava tuote on sukkinaatti. Tuotannossa syntyy GTP: n muodostumista. Sukkinaatti siirtyy fumaraattiin. Tämä reaktio tuottaa FADH: n. Fumaraatti muuttuu puolestaan ​​malaatiksi ja lopulta oksalaasiksi.

Elektronin kuljetusketju

Elektroninsiirtoketjun tavoitteena on ottaa elektronit aikaisemmissa vaiheissa muodostetuista yhdisteistä, kuten NADH ja FADH2, jotka ovat korkealla energian tasolla ja johtavat niihin alhaisempaan energian tasoon.

Tämä energian väheneminen tapahtuu vaiheittain, eli se ei tapahdu äkillisesti. Se koostuu sarjasta vaiheita, joissa esiintyy hapetus-pelkistysreaktioita.

Ketjun pääkomponentit ovat komplekseja, jotka muodostuvat sytokromeihin kytkeytyneistä proteiineista ja entsyymeistä: heme-tyyppiset metalloporfyriinit.

Sytokromit ovat rakenteeltaan melko samankaltaisia, vaikkakin jokaisella on erityispiirre, jonka avulla se pystyy suorittamaan erityisfunktionsa ketjussa, laulamaan elektroneja eri energian tasoilla..

Elektronien siirtyminen hengitysketjun läpi alemmille tasoille tuottaa energian vapautumisen. Tätä energiaa voidaan käyttää mitokondrioissa ATP: n syntetisoimiseksi prosessissa, joka tunnetaan oksidatiivisena fosforylaationa.

Kemosmootinen kytkentä

Pitkään ATP: n muodostumisen mekanismi ketjussa oli arvoitus, kunnes biokemisti Peter Mitchell ehdotti kemosmootista kytkentää.

Tässä ilmiössä protonigradientti muodostetaan sisäisen mitokondriaalikalvon läpi. Tämän järjestelmän sisältämä energia vapautetaan ja sitä käytetään ATP: n syntetisoimiseen.

Muodostuneen ATP: n määrä

Kuten näimme, ATP ei muodostu suoraan Krebsin sykliin, vaan elektronin kuljetusketjuun. Jokaisesta kahdesta NADH: sta happeen kulkeutuvaan elektroniin tapahtuu kolmen ATP-molekyylin synteesi. Tämä arvio voi vaihdella hieman riippuen siitä, mitä kirjallisuutta on kuultu.

Samoin jokaista FADH: sta lähtevää elektronia kohti2, muodostuu kaksi ATP-molekyyliä.

tehtävät

Solun hengityksen pääasiallinen tehtävä on energian tuottaminen ATP: n muodossa sen ohjaamiseksi solun toimintoihin.

Sekä eläimet että kasvit tarvitsevat ruoana käytettävien orgaanisten molekyylien sisältämän kemiallisen energian talteenoton. Vihannesten tapauksessa nämä molekyylit ovat sokereita, joita sama kasvi syntetisoi aurinkoenergian avulla kuuluisassa fotosynteettisessä prosessissa.

Eläimet eivät kuitenkaan pysty syntetisoimaan omaa ruokaa. Siten heterotrofit kuluttavat ruokaa ruokavaliossa - kuten esimerkiksi me. Hapetusprosessi on vastuussa energian uuttamisesta ruoasta.

Emme saa sekoittaa fotosynteesin funktioita hengitystoimintojen kanssa. Myös kasvit, kuten eläimet, hengittävät. Molemmat prosessit täydentävät toisiaan ja ylläpitävät elävän maailman dynamiikkaa.

viittaukset

  1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Johdatus solubiologiaan. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B. E. (2003). Biologia: Elämä maapallolla. Pearsonin koulutus.
  3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. biologia. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C. P., Roberts, L. S., Larson, A., Ober, W.C. & Garrison, C. (2007). Zoologian integroidut periaatteet. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., ranska, K., ja Eckert, R. (2002). Eckertin eläinfysiologia. Macmillan.
  6. Tortora, G. J., Funke, B. R. & Case, C. L. (2007). Johdatus mikrobiologiaan. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J. W., Lowe, J.S., Stevens, A. ja Wheater, P.R.. Toiminnallinen histologia: teksti- ja värivalikoima. Harcourt.