Rakulise hingamise protsess, liigid ja funktsioonid



The raku hingamine see on protsess, mis tekitab energiat ATP (adenosiintrifosfaat) kujul. Seejärel suunatakse see energia teistele rakulistele protsessidele. Selle nähtuse ajal läbivad molekulid oksüdatsiooni ja lõplik elektron-aktseptor on enamasti anorgaaniline molekul..

Lõpliku elektron-aktseptori olemus sõltub uuritava organismi hingamise tüübist. Aeroobides - nagu Homo sapiens - on elektronide lõplik vastuvõtja hapnik. Seevastu anaeroobse hingamise korral võib hapnik olla mürgine. Viimasel juhul on lõplik aktseptor anorgaaniline molekul, mis erineb hapnikust.

Aeroobset hingamist on biokeemikute poolt laialdaselt uuritud ja see koosneb kahest etapist: Krebsi tsüklist ja elektronide transpordiahelast..

Eukarüootsetes organismides on kõik hingamiseks vajalikud masinad sees mitokondrites, nii mitokondriaalses maatriksis kui ka selle organelle membraanisüsteemis..

Masin koosneb ensüümidest, mis katalüüsivad protsessi reaktsioone. Prokarüootset liini iseloomustab organellide puudumine; Sel põhjusel toimub plasma membraani teatud piirkondades hingamine, mis simuleerib mitokondrite omaga väga sarnast keskkonda..

Indeks

  • 1 Terminoloogia
  • 2 Kus toimub rakkude hingamine??
    • 2.1 Hingamise asukoht eukarüootides
    • 2.2 Mitokondrite arv
    • 2.3 Prokarüootse hingamise asukoht
  • 3 tüüpi
    • 3.1 Aeroobne hingamine
    • 3.2 Anerbiline hingamine
    • 3.3 Anaeroobsete organismide näited
  • 4 Protsess
    • 4.1 Krebsi tsükkel
    • 4.2 Krebsi tsükli reaktsioonid
    • 4.3 Elektronide transpordiahel
    • 4.4 Kemosmootiline sidumine
    • 4.5 Moodustunud ATP kogus
  • 5 Funktsioonid
  • 6 Viited

Terminoloogia

Füsioloogia valdkonnas on mõistel "hingamine" kaks määratlust: kopsu hingamine ja raku hingamine. Kui me kasutame igapäevaelus sõna hingamine, siis me nimetame esimest tüüpi.

Kopsude hingamine hõlmab inspireerivat ja aeguvat toimet, mille tulemuseks on gaaside vahetus: hapnik ja süsinikdioksiid. Selle nähtuse õige termin on "ventilatsioon".

Seevastu raku hingamine toimub - nagu nimigi viitab - rakkude sees ja see on protsess, mis vastutab energia edastamise eest elektroni transpordiahela kaudu. See viimane protsess on see, mida käesolevas artiklis käsitletakse.

Kus toimub rakkude hingamine??

Hingamise asukoht eukarüootides

Rakuline hingamine toimub keerulises organelle, mida nimetatakse mitokondriteks. Struktuurselt on mitokondrid 1,5 mikromeetrit lai ja 2-8 pikk. Neile on iseloomulik oma geneetilise materjali olemasolu ja jagamine binaarse lõhustumise teel - nende endosümbiotilise päritolu vestigiaalsed omadused..

Neil on kaks membraani, millest üks on sile ja üks sisemine ning voldid moodustavad servi. Mida aktiivsem on mitokondrid, seda rohkem on harusid.

Mitokondri sisemust nimetatakse mitokondriaatriksiks. Selles kambris on respiratoorsete reaktsioonide jaoks vajalikud ensüümid, koensüümid, vesi ja fosfaadid.

Välismembraan võimaldab enamiku väikeste molekulide läbimist. Siiski on sisemembraan see, mis tegelikult piirab läbipääsu väga spetsiifiliste transportijate kaudu. Selle struktuuri läbilaskvusel on oluline roll ATP tootmisel.

Mitokondrite arv

Rakulise hingamise jaoks vajalikud ensüümid ja muud komponendid leitakse ankurdatud membraanides ja vabad mitokondriaalses maatriksis..

Seetõttu iseloomustavad suuremat energiakogust nõudvad rakud mitokondrite suure arvu, erinevalt rakkudest, mille energiavajadus on madalam.

Näiteks maksarakkudel on keskmiselt 2500 mitokondrit, samas kui lihasrakk (väga metaboolselt aktiivne) sisaldab palju suuremat arvu ja selle rakutüübi mitokondrid on suuremad.

Lisaks asuvad need spetsiifilistes piirkondades, kus on vaja energiat, näiteks sperma lipulaadi ümbruses.

Prokarüootse hingamise asukoht

Loogiliselt on prokarüootsetel organismidel vaja hingata ja neil ei ole mitokondrid - ega eukarüootidele iseloomulikke keerulisi organelle. Sel põhjusel toimub hingamisprotsess plasmamembraani väikestes invaginatsioonides, analoogselt mitokondritega..

Tüübid

Sõltuvalt molekulidest, mis toimis elektronide lõpliku aktseptorina, on hingamise kaks põhitüüpi. Aeroobse hingamise korral on aktseptoriks hapnik, samas kui anaeroobses hingamises on see anorgaaniline molekul - kuigi mõnedel harvadel juhtudel on aktseptor orgaaniline molekul. Järgnevalt kirjeldame igaüks üksikasjalikult:

Aeroobne hingamine

Aeroobse hingamisega organismides on elektronide lõplik aktseptoriks hapnik. Toimuvad sammud jagunevad Krebsi tsüklisse ja elektronide transpordiahelasse.

Nendes biokeemilistes radades toimuvate reaktsioonide üksikasjalik selgitus töötatakse välja järgmises osas.

Anechobic hingamine

Lõplik aktseptor koosneb muust kui hapnikust. Anaeroobse hingamise teel tekkinud ATP kogus sõltub mitmest tegurist, sealhulgas uuritava organismi ja kasutatud marsruudi hulgast..

Kuid aeroobse hingamise puhul on energia tootmine alati suurem, kuna Krebsi tsükkel toimib ainult osaliselt ja mitte kõik ahelas olevad transpordimolekulid osalevad hingamisel

Seetõttu on anaeroobsete isikute kasv ja areng oluliselt väiksem kui aeroobika.

Anaeroobsete organismide näited

Mõnes organismis on hapnik toksiline ja seda nimetatakse rangeks anaeroobiks. Tuntumaks näiteks on teetanust ja botulismi põhjustav bakter: Clostridium.

Lisaks on olemas teisi organisme, mis võivad vahelduda aeroobse ja anaeroobse hingamise vahel, mida nimetatakse fakultatiivseteks anaeroobideks. Teisisõnu, nad kasutavad hapnikku, kui see neile sobib, ja selle puudumisel kasutavad nad anaeroobset hingamist. Näiteks tuntud bakter Escherichia coli omab seda ainevahetust.

Teatud bakterid võivad kasutada nitraadiooni (NO3-) kui elektronide lõplik aktseptor, nagu näiteks žanrid Pseudomonas ja Bacillus. Seda iooni saab redutseerida nitriti, lämmastikoksiidi või lämmastikuga.

Muudel juhtudel koosneb lõplik aktseptor sulfaatioonist (SO42-), mis põhjustab vesiniksulfiidi ja mis kasutab metaani moodustamiseks karbonaati. Bakterite perekond Desulfovibrio on selle tüüpi aktseptori näide.

Nende elektronide vastuvõtmine nitraadi- ja sulfaatmolekulides on nende ühendite biogeokeemiliste tsüklite puhul oluline - lämmastik ja väävel.

Protsess

Glykolüüs on eelmine viis raku hingamiseks. See algab glükoosimolekuliga ja lõpptoode on püruvaat, kolme süsiniku molekul. Glikolüüs toimub raku tsütoplasmas. See molekul peab suutma degradatsiooni jätkamiseks mitokondritesse siseneda.

Püruvaat võib difundeeruda kontsentratsioonigradientide kaudu organelle, läbi membraani pooride. Lõplik sihtkoht on mitokondrite maatriks.

Enne rakulise hingamise esimesse etappi sisenemist läbib püruvaadi molekul teatud modifikatsioone.

Esiteks reageerib see molekuliga, mida nimetatakse koensüümiks A. Iga püruvaat lõhustatakse süsinikdioksiidiks ja atsetüülrühmaks, mis seondub koensüümiga A, põhjustades atsetüülkoensüüm A kompleksi..

Selles reaktsioonis viiakse NADP-sse üle kaks elektroni ja üks vesinikioon+, saadakse NADH ja seda katalüüsib ensümaatiline komplekspüruvaadi dehüdrogenaas. Reaktsioon vajab mitmeid kofaktoreid.

Pärast seda muudatust algavad hingamise kaks etappi: Krebsi tsükkel ja elektronide transpordiahel.

Krebsi tsükkel

Krebsi tsükkel on biokeemia üks tähtsamaid tsüklilisi reaktsioone. Kirjanduses on tuntud ka sidrunhappe tsükkel või trikarboksüülhappe tsükkel (TCA)..

Ta saab nime oma avastaja, Saksa biokeemik Hans Krebsi auks. 1953. aastal anti Krebsile Nobeli preemia tänu sellele avastusele, mis tähistas biokeemia valdkonda.

Tsükli eesmärk on atsetüül-koensüüm A sisaldava energia järkjärguline vabanemine. See koosneb oksüdatsiooni- ja redutseerimisreaktsioonide seeriast, mis suunavad energiat erinevatesse molekulidesse, peamiselt NAD-i.+.

Iga kahe atsetüül-koensüümi A molekuli kohta, mis sisenevad tsüklisse, vabanevad neli süsinikdioksiidi molekuli, luuakse kuus NADH molekuli ja kaks FADH-i.2. CO2 See eraldub atmosfääri protsessi jäätmeainetena. Samuti genereeritakse GTP.

Kuna see rada osaleb nii anaboolsetes (molekulide sünteesides) kui ka kataboolsetes (molekulide lagunemise) protsessides, nimetatakse seda "amfiboolseks"..

Krebsi tsükli reaktsioonid

Tsükkel algab atsetüülkoensüüm A molekuli sulandamisest oksaloatsetaatmolekuliga. Selle ühendi tulemuseks on kuue süsiniku molekul: tsitraat. Seega vabastatakse koensüüm A, tegelikult kasutatakse seda korduvalt. Kui rakus on palju ATP-d, on see samm takistatud.

Ülaltoodud reaktsioon vajab energiat ja see saadakse atsetüülrühma ja koensüümi A vahelise suure energiaga sideme lagunemisel.

Tsitraat liigub cis aconitato'le ja see juhtub isotsitraadiga Aconitasa ensüümi poolt. Järgmine etapp on isotsitraadi konversioon alfa-ketoglutaraadiks dehüdrogeenitud isotsitraadiga. See etapp on asjakohane, sest see viib NADH vähenemiseni ja vabastab süsinikdioksiidi.

Alfa ketoglutaraat muundatakse suktsinüülkoensüümiks A alfa-ketoglutaraadi dehüdrogenaasi abil, mis kasutab samu kofaktoreid nagu püruvaadi kinaas. Selles etapis genereeritakse ka NADH ja algse sammuna pärsib seda ATP liig.

Järgmine toode on suktsinaat. Tootmisel tekib GTP moodustumine. Suktsinaat liigub fumaraadile. See reaktsioon annab FADH. Fumaraat muutub omakorda malaatiks ja lõpuks oksalatsetaadiks.

Elektronide transpordiahel

Elektroonilise transpordi ahelaga püütakse võtta elektronid eelnevates etappides genereeritud ühenditest, nagu NADH ja FADH2, mis on kõrgel energiatasemel ja viivad nad madalamale energia tasemele.

See energia vähenemine toimub samm-sammult, see tähendab, et see ei juhtu järsult. See koosneb mitmest etapist, kus tekivad oksüdatsiooni- ja redutseerimisreaktsioonid.

Keti põhikomponendid on tsütokroomidega seotud valkude ja ensüümide poolt moodustatud kompleksid: heme tüüpi metalloporfüriinid.

Tsütokroomid on oma struktuuri poolest üsna sarnased, kuigi igaühel neist on eripära, mis võimaldab tal täita oma spetsiifilist funktsiooni ahelas, laules elektrone erinevatel energiatasemetel..

Elektronide nihkumine hingamisteede ahela kaudu madalamale tasemele tekitab energia vabanemise. Seda energiat saab mitokondrites kasutada ATP sünteesimiseks oksüdatiivse fosforüülimise protsessis.

Kemosmootiline sidestus

Pikka aega oli ahela ATP moodustumise mehhanism mõistatus, kuni biokeemik Peter Mitchell pakkus välja kemosmootilise sideme.

Selles nähtuses luuakse sisemise mitokondriaalse membraani kaudu prootonigradient. Selles süsteemis sisalduv energia vabastatakse ja seda kasutatakse ATP sünteesimiseks.

Moodustunud ATP kogus

Nagu nägime, ei kujuta ATP Krebsi tsüklis otse, vaid elektronide transpordiahelas. Iga kahe elektroni kohta, mis liiguvad NADH-st hapnikuni, toimub kolme ATP molekuli süntees. See hinnang võib varieeruda veidi, sõltuvalt sellest, millist kirjandust küsiti.

Sarnaselt iga FADH-st mööduva elektroni kohta2, moodustuvad kaks ATP molekuli.

Funktsioonid

Rakulise hingamise põhifunktsioon on energia tootmine ATP kujul, et suunata see raku funktsioonidele..

Nii loomad kui taimed vajavad toiduainena kasutatavate orgaaniliste molekulide sisaldava keemilise energia eraldamist. Köögiviljade puhul on need molekulid suhkrud, mida sama taim sünteesib päikeseenergia kasutamisel tuntud fotosünteesiprotsessis..

Loomad aga ei suuda oma toitu sünteesida. Seega tarbivad heterotroofid toitu toitumises - näiteks meile. Oksüdatsiooniprotsess on vastutav toidust energia eraldamise eest.

Me ei tohi segamini ajada fotosünteesi funktsioone hingamise omadega. Taimed, nagu loomad, hingavad ka. Mõlemad protsessid täiendavad ja säilitavad elava maailma dünaamikat.

Viited

  1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Sissejuhatus rakubioloogiasse. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., ja Byers, B.E. (2003). Bioloogia: elu Maal. Pearsoni haridus.
  3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Bioloogia. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C. P., Roberts, L. S., Larson, A., Ober, W.C. & Garrison, C. (2007). Zooloogia integreeritud põhimõtted. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., prantsuse keel, K. ja Eckert, R. (2002). Eckert loomade füsioloogia. Macmillan.
  6. Tortora, G. J., Funke, B. R. & Case, C. L. (2007). Mikrobioloogia tutvustus. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J. W., Lowe, J.S., Stevens, A. ja Wheater, P.R.. Funktsionaalne histoloogia: teksti- ja värvivalik. Harcourt.