Plik oddychania komórkowego jest to proces, który generuje energię w postaci ATP (adenozynotrifosforanu). Następnie energia ta jest kierowana do innych procesów komórkowych. Podczas tego zjawiska cząsteczki ulegają utlenieniu, a ostatecznym akceptorem elektronów jest w większości przypadków cząsteczka nieorganiczna..
Charakter ostatecznego akceptora elektronów zależy od rodzaju oddychania badanego organizmu. W tlenach - takich jak Homo sapiens - ostatnim akceptorem elektronów jest tlen. W przeciwieństwie do anaerobowych respiratorów tlen może być toksyczny. W tym drugim przypadku ostatecznym akceptorem jest cząsteczka nieorganiczna inna niż tlen..
Oddychanie tlenowe było szeroko badane przez biochemików i składa się z dwóch etapów: cyklu Krebsa i łańcucha transportu elektronów..
W organizmach eukariotycznych cała maszyneria niezbędna do oddychania znajduje się wewnątrz mitochondriów, zarówno w macierzy mitochondrialnej, jak iw systemie błonowym tych organelli..
Mechanizm składa się z enzymów, które katalizują reakcje procesu. Linia prokariotyczna charakteryzuje się brakiem organelli; z tego powodu oddychanie zachodzi w określonych obszarach błony komórkowej, które symulują środowisko bardzo podobne do mitochondriów.
Indeks artykułów
W dziedzinie fizjologii termin „oddychanie” ma dwie definicje: oddychanie płucne i oddychanie komórkowe. Kiedy używamy słowa oddech w życiu codziennym, mamy na myśli pierwszy typ.
Oddychanie płucne polega na czynności wdechu i wydechu, w wyniku czego następuje wymiana gazów: tlenu i dwutlenku węgla. Prawidłowym terminem określającym to zjawisko jest „wentylacja”.
Natomiast oddychanie komórkowe zachodzi - jak sama nazwa wskazuje - wewnątrz komórek i jest procesem odpowiedzialnym za wytwarzanie energii poprzez łańcuch transportu elektronów. Ten ostatni proces zostanie omówiony w tym artykule..
Oddychanie komórkowe zachodzi w złożonym organellum zwanym mitochondrium. Strukturalnie mitochondria mają 1,5 mikrometra szerokości i 2 do 8 mikrometrów długości. Charakteryzują się posiadaniem własnego materiału genetycznego oraz podziałem na rozszczepienie binarne - szczątkowe cechy ich endosymbiotycznego pochodzenia..
Mają dwie membrany, jedną gładką i jedną wewnętrzną z fałdami tworzącymi grzbiety. Im bardziej aktywne mitochondria, tym więcej ma grzbietów.
Wnętrze mitochondrium nazywane jest macierzą mitochondrialną. W tym przedziale znajdują się enzymy, koenzymy, woda i fosforany niezbędne do reakcji układu oddechowego.
Zewnętrzna membrana umożliwia przejście większości małych cząsteczek. Jednak to wewnętrzna membrana faktycznie ogranicza przejście przez bardzo specyficzne transportery. Przepuszczalność tej struktury odgrywa fundamentalną rolę w produkcji ATP.
Enzymy i inne składniki niezbędne do oddychania komórkowego są zakotwiczone w błonach i wolne w macierzy mitochondrialnej..
Dlatego komórki wymagające większej ilości energii charakteryzują się dużą liczbą mitochondriów, w przeciwieństwie do komórek, których zapotrzebowanie na energię jest mniejsze..
Na przykład komórki wątroby mają średnio 2500 mitochondriów, podczas gdy komórka mięśniowa (bardzo aktywna metabolicznie) zawiera znacznie większą liczbę, a mitochondria tego typu komórek są większe.
Ponadto znajdują się one w określonych regionach, w których potrzebna jest energia, na przykład wokół wici plemników..
Logicznie rzecz biorąc, organizmy prokariotyczne muszą oddychać i nie mają mitochondriów - ani złożonych organelli charakterystycznych dla eukariotów. Z tego powodu proces oddychania odbywa się w małych wgłębieniach błony komórkowej, analogicznie do tego, co zachodzi w mitochondriach..
Istnieją dwa podstawowe typy oddychania, w zależności od cząsteczki, która działała jako ostateczny akceptor elektronów. W oddychaniu tlenowym akceptorem jest tlen, natomiast w warunkach beztlenowych jest to cząsteczka nieorganiczna - choć w kilku szczególnych przypadkach akceptorem jest cząsteczka organiczna. Poniżej opiszemy szczegółowo każdy z nich:
W organizmach z oddychaniem tlenowym ostatecznym akceptorem elektronów jest tlen. Następujące kroki są podzielone na cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów.
Szczegółowe wyjaśnienie reakcji zachodzących na tych szlakach biochemicznych zostanie opracowane w następnej sekcji.
Ostateczny akceptor składa się z cząsteczki innej niż tlen. Ilość ATP wytwarzana podczas oddychania beztlenowego zależy od kilku czynników, w tym od badanego organizmu i zastosowanej drogi..
Jednak produkcja energii jest zawsze wyższa w oddychaniu tlenowym, ponieważ cykl Krebsa działa tylko częściowo i nie wszystkie cząsteczki transportera w łańcuchu uczestniczą w oddychaniu.
Z tego powodu wzrost i rozwój osobników beztlenowych jest znacznie mniejszy niż u osób beztlenowych..
W niektórych organizmach tlen jest toksyczny i nazywa się je beztlenowcami ścisłymi. Najbardziej znanym przykładem jest bakteria wywołująca tężec i botulizm: Clostridium.
Ponadto istnieją inne organizmy, które mogą na przemian oddychać tlenowym i beztlenowym, nazywając się fakultatywnymi beztlenowcami. Innymi słowy, używają tlenu, kiedy im odpowiada, a przy jego braku uciekają się do oddychania beztlenowego. Na przykład dobrze znana bakteria Escherichia coli posiada ten metabolizm.
Niektóre bakterie mogą wykorzystywać jon azotanowy (NO3-) jako ostateczny akceptor elektronów, taki jak rodzaje Pseudomonas Y Bakcyl. Wspomniany jon można zredukować do jonu azotynowego, podtlenku azotu lub gazowego azotu.
W innych przypadkach ostateczny akceptor składa się z jonu siarczanowego (SO4dwa-), który powoduje powstawanie siarkowodoru i wykorzystuje węglan do tworzenia metanu. Rodzaj bakterii Desulfovibrio jest przykładem tego typu akceptora.
Ten odbiór elektronów w cząsteczkach azotanów i siarczanów ma kluczowe znaczenie w cyklach biogeochemicznych tych związków - azotu i siarki..
Glikoliza jest szlakiem poprzedzającym oddychanie komórkowe. Rozpoczyna się cząsteczką glukozy, a produktem końcowym jest pirogronian, cząsteczka trójwęglowa. Glikoliza zachodzi w cytoplazmie komórki. Ta cząsteczka musi mieć możliwość przedostania się do mitochondriów, aby kontynuować jej degradację.
Pirogronian może dyfundować poprzez gradienty stężeń do organelli, przez pory błony. Ostatecznym celem będzie macierz mitochondriów.
Przed wejściem w pierwszy stopień oddychania komórkowego cząsteczka pirogronianu podlega pewnym modyfikacjom.
Najpierw reaguje z cząsteczką zwaną koenzymem A. Każdy pirogronian rozszczepia się na dwutlenek węgla i grupę acetylową, która wiąże się z koenzymem A, tworząc kompleks aceylowo-koenzymu A..
W tej reakcji dwa elektrony i jon wodorowy są przenoszone do NADP+, dając NADH i jest katalizowany przez kompleks enzymu dehydrogenazy pirogronianowej. Reakcja wymaga szeregu kofaktorów.
Po tej modyfikacji rozpoczynają się dwa etapy oddychania: cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów..
Cykl Krebsa jest jedną z najważniejszych cyklicznych reakcji w biochemii. Jest również znany w literaturze jako cykl kwasu cytrynowego lub cykl kwasu trikarboksylowego (TCA).
Został nazwany na cześć swojego odkrywcy: niemieckiego biochemika Hansa Krebsa. W 1953 roku Krebs otrzymał Nagrodę Nobla za to odkrycie, które naznaczyło dziedzinę biochemii..
Celem cyklu jest stopniowe uwalnianie energii zawartej w acetylokoenzymie A. Składa się z szeregu reakcji utleniania i redukcji, które przenoszą energię na różne cząsteczki, głównie NAD+.
Na każde dwie cząsteczki acetylokoenzymu A, które wchodzą do cyklu, uwalniane są cztery cząsteczki dwutlenku węgla, sześć cząsteczek NADH i dwie FADH.dwa. COdwa jest uwalniany do atmosfery jako substancja odpadowa z procesu. Generowany jest również GTP.
Ponieważ szlak ten uczestniczy zarówno w procesach anabolicznych (synteza cząsteczek), jak i katabolicznych (degradacja cząsteczek), nazywa się go „amfibolicznym”..
Cykl zaczyna się od fuzji cząsteczki acetylokoenzymu A z cząsteczką szczawiooctanu. Z tego połączenia powstaje sześciowęglowa cząsteczka: cytrynian. W ten sposób uwalnia się koenzym A. W rzeczywistości jest on wielokrotnie używany. Jeśli w komórce jest dużo ATP, ten krok jest hamowany.
Powyższa reakcja wymaga energii i uzyskuje ją z zerwania wysokoenergetycznego wiązania między grupą acetylową a koenzymem A.
Cytrynian jest przekształcany w akonitynian cis i jest przekształcany w izocytrynian przez enzym akonitazę. Następnym krokiem jest konwersja izocytrynianu do alfa ketoglutaranu przez odwodorniony izocytrynian. Ten etap jest istotny, ponieważ prowadzi do redukcji NADH i uwalnia dwutlenek węgla..
Alfa ketoglutaran jest przekształcany do koenzymu bursztynowego A przez dehydrogenazę alfa ketoglutaranu, która wykorzystuje te same kofaktory co kinaza pirogronianowa. Na tym etapie generowany jest również NADH, który na etapie początkowym jest hamowany przez nadmiar ATP..
Kolejnym produktem jest bursztynian. Podczas jego produkcji następuje tworzenie GTP. Bursztynian staje się fumaranem. Ta reakcja daje FADH. Z kolei fumaran staje się jabłczanem, a na końcu szczawiooctanem.
Łańcuch transportu elektronów ma na celu pobranie elektronów ze związków wytworzonych w poprzednich etapach, takich jak NADH i FADHdwa, które są na wysokim poziomie energii i prowadzą je na niższy poziom energii.
Ten spadek energii następuje krok po kroku, to znaczy nie następuje gwałtownie. Składa się z szeregu etapów, w których zachodzą reakcje redoks.
Głównymi składnikami łańcucha są kompleksy utworzone przez białka i enzymy sprzężone z cytochromami: metaloporfiryny typu hemu.
Cytochromy są dość podobne pod względem budowy, chociaż każdy z nich ma swoją specyfikę, która pozwala mu pełnić swoją specyficzną funkcję w łańcuchu, śpiewając elektrony na różnych poziomach energii..
Ruch elektronów przez łańcuch oddechowy do niższych poziomów powoduje uwolnienie energii. Energię tę można wykorzystać w mitochondriach do syntezy ATP w procesie znanym jako fosforylacja oksydacyjna..
Mechanizm powstawania ATP w łańcuchu przez długi czas był zagadką, dopóki biochemik Peter Mitchell nie zaproponował sprzężenia chemosmotycznego.
W tym zjawisku na wewnętrznej błonie mitochondrialnej ustala się gradient protonów. Energia zawarta w tym systemie jest uwalniana i wykorzystywana do syntezy ATP.
Jak widzieliśmy, ATP nie tworzy się bezpośrednio w cyklu Krebsa, ale w łańcuchu transportu elektronów. Na każde dwa elektrony, które przechodzą z NADH do tlenu, zachodzi synteza trzech cząsteczek ATP. Szacunki te mogą się nieco różnić w zależności od konsultowanej literatury..
Podobnie na każde dwa elektrony przechodzące przez FADHdwa, powstają dwie cząsteczki ATP.
Główną funkcją oddychania komórkowego jest wytwarzanie energii w postaci ATP, aby móc skierować ją do funkcji komórki..
Zarówno zwierzęta, jak i rośliny muszą wydobywać energię chemiczną zawartą w cząsteczkach organicznych, których używają do pożywienia. W przypadku warzyw tymi cząsteczkami są cukry, które roślina sama syntetyzuje za pomocą energii słonecznej w słynnym procesie fotosyntezy..
Z drugiej strony zwierzęta nie są w stanie syntetyzować własnego pożywienia. Tak więc heterotrofy spożywają żywność w diecie - na przykład jak my. Proces utleniania odpowiada za pozyskiwanie energii z pożywienia.
Nie powinniśmy mylić funkcji fotosyntezy z oddychaniem. Rośliny, podobnie jak zwierzęta, również oddychają. Oba procesy są komplementarne i utrzymują dynamikę świata żywego.
Jeszcze bez komentarzy