ŠŪNU ELPOŠANA: PROCESS, VEIDI UN FUNKCIJAS - BIOLOĢIJA - 2025

Šūnu elpošana ir process, kas ģenerē enerģiju no veidā ATP (adenozīna trifosfātu). Vēlāk šī enerģija tiek virzīta uz citiem šūnu procesiem. Šīs parādības laikā molekulas tiek oksidētas, un elektronu galīgais akceptētājs vairumā gadījumu ir neorganiska molekula.

Galīgā elektronu akceptora raksturs ir atkarīgs no pētāmā organisma elpošanas veida. Aerobos - piemēram, Homo sapiens - galīgais elektronu akceptors ir skābeklis. Turpretī anaerobiem respiratoriem skābeklis var būt toksisks. Pēdējā gadījumā galīgais akceptors ir neorganiska molekula, kas nav skābeklis.

Avots: Darekk2, no Wikimedia Commons

Bioķīmiķi ir plaši pētījuši aerobo elpošanu, un tā sastāv no diviem posmiem: Krebsa cikla un elektronu transporta ķēdes.

Eikariotu organismos visas iekārtas, kas vajadzīgas elpošanai, atrodas mitohondriju iekšpusē, gan mitohondriju matricā, gan šīs organelle membrānas sistēmā.

Mašīna sastāv no fermentiem, kas katalizē procesa reakcijas. Prokariotu cilti raksturo organellu neesamība; Šī iemesla dēļ elpošana notiek noteiktos plazmas membrānas reģionos, kas imitē vidi, kas ir ļoti līdzīga mitohondriju videi.

Terminoloģija

Fizioloģijas jomā terminam "elpošana" ir divas definīcijas: plaušu elpošana un šūnu elpošana. Ikdienā lietojot vārdu elpa, mēs runājam par pirmo veidu.

Plaušu elpošana ietver ieelpošanu un izelpošanu, šī procesa rezultātā notiek gāzu apmaiņa: skābeklis un oglekļa dioksīds. Pareizais šīs parādības nosaukums ir "ventilācija".

Turpretī šūnu elpošana notiek, kā norāda nosaukums, šūnās, un tas ir process, kas atbild par enerģijas ģenerēšanu caur elektronu transportēšanas ķēdi. Šis pēdējais process tiks apspriests šajā rakstā.

Kur notiek šūnu elpošana?

Elpošanas vieta eikariotos

Mitohondriji

Šūnu elpošana notiek kompleksā organelā, ko sauc par mitohondrijiem. Strukturāli mitohondriji ir 1,5 mikronu platumā un 2 līdz 8 mikronu garumā. Viņus raksturo tas, ka tiem ir savs ģenētiskais materiāls un to endosimbiotiskās izcelsmes vestibiālās īpašības dalās ar bināru dalīšanos - vestiģiālajām īpašībām.

Viņiem ir divas membrānas, gludas un iekšējas, ar krokām, kas veido grēdas. Jo aktīvāka ir mitohondrija, jo vairāk grēdu tai ir.

Mitohondriju interjeru sauc par mitohondriju matricu. Šajā nodalījumā atrodas fermenti, koenzīmi, ūdens un fosfāti, kas nepieciešami elpošanas ceļu reakcijām.

Ārējā membrāna ļauj iziet lielākajai daļai mazu molekulu. Tomēr tieši iekšējā membrāna faktiski ierobežo cauri ļoti specifiskiem transporteriem. Šīs struktūras caurlaidībai ir būtiska loma ATP ražošanā.

Mitohondriju skaits

Enzīmi un citi komponenti, kas nepieciešami šūnu elpošanai, ir noenkuroti membrānās un brīvi mitohondriju matricā.

Tāpēc šūnām, kurām nepieciešams lielāks enerģijas daudzums, ir raksturīgs liels mitohondriju skaits, atšķirībā no šūnām, kuru enerģijas nepieciešamība ir mazāka.

Piemēram, aknu šūnās ir vidēji 2500 mitohondriju, savukārt muskuļu šūnās (ļoti metaboliski aktīvās) ir daudz lielāks skaits, un šī tipa mitohondriji ir lielāki.

Turklāt tie atrodas noteiktos reģionos, kur nepieciešama enerģija, piemēram, apņemot spermas flagellum.

Prokariotu elpošanas vieta

Loģiski, ka prokariotu organismiem ir nepieciešams elpot, un tiem nav mitohondriju - kā arī sarežģītu organellu, kas raksturīgi eikariotiem. Šī iemesla dēļ elpošanas process notiek nelielās plazmas membrānas invaginācijās, līdzīgi kā tas notiek mitohondrijās.

Veidi

Atkarībā no molekulas, kas darbojās kā galīgais elektronu akceptors, ir divi elpošanas pamatveidi. Aerobā elpošanā akceptors ir skābeklis, savukārt anaerobā - neorganiska molekula - lai arī dažos īpašos gadījumos akceptors ir organiska molekula. Mēs katrs sīkāk aprakstīsim zemāk:

Aerobā elpošana

Aerobās elpošanas organismos elektronu galīgais akceptors ir skābeklis. Veiktās darbības tiek sadalītas Krebsa ciklā un elektronu transporta ķēdē.

Sīkāks reakciju, kas notiek šajos bioķīmiskajos ceļos, skaidrojums tiks izstrādāts nākamajā sadaļā.

Anerobā elpošana

Galīgais akceptors sastāv no molekulas, kas nav skābeklis. Anaerobās elpināšanas rezultātā radītais ATP daudzums ir atkarīgs no vairākiem faktoriem, ieskaitot pētāmo organismu un izmantoto ceļu.

Tomēr enerģijas ražošana vienmēr ir augstāka aerobā elpošanā, jo Krebsa cikls darbojas tikai daļēji un ne visas ķēdes transportētāja molekulas piedalās elpošanā.

Šī iemesla dēļ anaerobo indivīdu augšana un attīstība ir ievērojami mazāka nekā aerobās.

Anaerobo organismu piemēri

Dažos organismos skābeklis ir toksisks, un tos sauc par stingriem anaerobiem. Vispazīstamākais piemērs ir baktērija, kas izraisa stingumkrampjus un botulismu: Clostridium.

Turklāt ir arī citi organismi, kas var mainīties starp aerobo un anaerobo elpošanu, tos saucot par fakultatīvajiem anaerobiem. Citiem vārdiem sakot, viņi izmanto skābekli, kad tas viņiem ir piemērots, un, ja tāda nav, viņi izmanto anaerobo elpošanu. Piemēram, labi zināmajai baktērijai Escherichia coli piemīt šī metabolisms.

Dažas baktērijas , piemēram, Pseudomonas un Bacillus ģints kā galīgo elektronu akceptoru var izmantot nitrātu jonu (NO ₃ ^- ). Minēto jonu var reducēt par nitrītu jonu, slāpekļa oksīdu vai slāpekļa gāzi.

Citos gadījumos galīgo akceptoru veido sulfāta jons (SO ₄ ² ), kas rada sērūdeņradi un izmanto karbonātu, veidojot metānu. Desulfovibrio ģints baktērijas ir šāda veida akceptoru piemērs.

Šī elektronu uztveršana nitrātu un sulfātu molekulās ir izšķiroša šo savienojumu - slāpekļa un sēra - bioģeoķīmiskajos ciklos.

Process

Glikolīze ir ceļš pirms šūnu elpošanas. Tas sākas ar glikozes molekulu, un galaprodukts ir piruāts, trīs oglekļa molekula. Glikolīze notiek šūnas citoplazmā. Šai molekulai jāspēj iekļūt mitohondrijos, lai turpinātu tās sadalīšanos.

Piruvāts var izkliedēties caur koncentrācijas gradientiem organelā caur membrānas porām. Galamērķis būs mitohondriju matrica.

Pirms ievadīšanas pirmajā šūnu elpošanas posmā piruvata molekulā tiek veiktas noteiktas modifikācijas.

Pirmkārt, tas reaģē ar molekulu, ko sauc par koenzīmu A. Katrs piruvāts sadalās oglekļa dioksīdā un acetilgrupā, kas saistās ar koenzīmu A, veidojot acetila koenzīma A kompleksu.

Šajā reakcijā divi elektroni un ūdeņraža jons tiek pārnesti uz NADP ⁺ , iegūstot NADH, un to katalizē piruvāta dehidrogenāzes enzīmu komplekss. Reakcijai nepieciešama virkne kofaktoru.

Pēc šīs modifikācijas sākas divi elpošanas posmi: Krebsa cikls un elektronu transportēšanas ķēde.

Krebsa cikls

Krebsa cikls ir viena no vissvarīgākajām cikliskām reakcijām bioķīmijā. Literatūrā to sauc arī par citronskābes ciklu vai trikarbonskābes ciklu (TCA).

Tas nosaukts tā atklājēja vārdā: vācu bioķīmiķis Hanss Krebs. 1953. gadā Krebss saņēma Nobela prēmiju par šo atklājumu, kas iezīmēja bioķīmijas jomu.

Cikla mērķis ir pakāpeniska enerģijas, kas atrodas acetilkoenzīmā A, atbrīvošana. Tas sastāv no virknes oksidācijas un reducēšanas reakciju, kas enerģiju nodod dažādām molekulām, galvenokārt NAD ⁺ .

Katrām divām acetilkoenzīma A molekulām, kas nonāk ciklā, izdalās četras oglekļa dioksīda molekulas, sešas NADH molekulas un divas FADH ₂ . CO ₂ atmosfērā izdalās kā procesa atkritumi. Tiek ģenerēts arī GTP.

Tā kā šis ceļš piedalās gan anaboliskos (molekulu sintēze), gan kataboliskos (molekulu sadalīšanās) procesos, to sauc par “amfibolisko”.

Krebsa cikla reakcijas

Cikls sākas ar acetilkoenzīma A molekulas saplūšanu ar oksaloacetāta molekulu. Šī savienība rada sešu oglekļa molekulu: citrātu. Tādējādi izdalās koenzīms A. Faktiski to atkārtoti izmanto atkārtoti. Ja šūnā ir pārāk daudz ATP, šī darbība tiek kavēta.

Iepriekš minētajai reakcijai ir nepieciešama enerģija, un tā iegūst to no enerģijas enerģijas saites pārrāvuma starp acetilgrupu un koenzīmu A.

Citrāts tiek pārveidots par cis akonitātu, un enzīma akonitāze to pārvērš izocitrātā. Nākamais solis ir izocitrāta pārvēršana alfa ketoglutarātā ar dehidrogenētu izocitrātu. Šis posms ir būtisks, jo tas samazina NADH un izdala oglekļa dioksīdu.

Alfa ketoglutarāts tiek pārveidots par sukcinilkoenzīmu A ar alfa ketoglutarāta dehidrogenāzi, kurā tiek izmantoti tie paši kofaktori kā piruvāta kināze. Šajā posmā tiek ģenerēts arī NADH, un kā sākotnējo darbību to kavē ATP pārpalikums.

Nākamais produkts ir sukcināts. Tā ražošanā notiek GTP veidošanās. Sukcināts mainās uz fumarātu. Šī reakcija rada FADH. Fumarāts savukārt kļūst par malātu un visbeidzot par oksalacetātu.

Elektronu transporta ķēde

Elektronu transportēšanas ķēdes mērķis ir ņemt elektronus no savienojumiem, kas ģenerēti iepriekšējos posmos, piemēram, NADH un FADH ₂ , kuriem ir augsts enerģijas līmenis, un novirzīt tos uz zemāku enerģijas līmeni.

Šis enerģijas samazinājums notiek soli pa solim, tas ir, tas nenotiek pēkšņi. Tas sastāv no virknes darbību, kurās notiek redoksreakcijas.

Ķēdes galvenie komponenti ir kompleksi, ko veido olbaltumvielas un fermenti, kas savienoti ar citohromiem: heme tipa metalloporpirīni.

Citohromi ir diezgan līdzīgi to struktūras ziņā, lai gan katram no tiem ir savdabība, kas ļauj tai veikt savu īpašo funkciju ķēdē, dziedot elektronus dažādos enerģijas līmeņos.

Elektronu kustība caur elpošanas ķēdi zemākam līmenim rada enerģijas izdalīšanos. Šo enerģiju var izmantot mitohondrijos, lai sintezētu ATP, procesā, kas pazīstams kā oksidatīvā fosforilēšana.

Kemosmotiskā savienošana

Ilgu laiku ATP veidošanās mehānisms ķēdē bija mīkla, līdz bioķīmiķis Pīters Mitčels ierosināja ķīmiozīmo savienošanu.

Šajā parādībā visā iekšējā mitohondriju membrānā tiek izveidots protonu gradients. Šajā sistēmā esošā enerģija tiek atbrīvota un izmantota ATP sintezēšanai.

Izveidotā ATP daudzums

Kā redzējām, ATP neveidojas tieši Krebsa ciklā, bet elektronu transporta ķēdē. Par katriem diviem elektroniem, kas pāriet no NADH uz skābekli, notiek trīs ATP molekulu sintēze. Šis novērtējums var nedaudz atšķirties atkarībā no izmantotās literatūras.

Tāpat uz katriem diviem elektroniem, kas iziet no FADH ₂ , veidojas divas ATP molekulas.

Iespējas

Šūnu elpošanas galvenā funkcija ir enerģijas ģenerēšana ATP formā, lai to virzītu šūnas funkcijām.

Gan dzīvniekiem, gan augiem ir jāiegūst ķīmiskā enerģija organiskajās molekulās, kuras viņi izmanto pārtikai. Dārzeņiem šīs molekulas ir cukuri, kurus viens un tas pats augs sintezē, izmantojot saules enerģiju slavenajā fotosintēzes procesā.

Dzīvnieki, no otras puses, nav spējīgi sintezēt savu ēdienu. Tādējādi heterotrofi uzturā patērē pārtiku - piemēram, mēs. Oksidācijas process ir atbildīgs par enerģijas iegūšanu no pārtikas.

Mums nevajadzētu jaukt fotosintēzes funkcijas ar elpošanas funkcijām. Augi, tāpat kā dzīvnieki, arī elpo. Abi procesi ir savstarpēji papildinoši un uztur dzīvās pasaules dinamiku.

Atsauces

1. Alberts, B., un Bray, D. (2006). Ievads šūnu bioloģijā. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Bioloģija: Dzīve uz Zemes. Pīrsona izglītība.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Kurts. Bioloģija. Panamerican Medical Ed.
4. Hikmans, CP, Roberts, LS, Larsons, A., Obers, WC, & Garrison, C. (2007). Integrēti zooloģijas principi. Makgreivs.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Ekerta dzīvnieka fizioloģija. Makmillans.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Ievads mikrobioloģijā. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stīvenss, A., & Wheater, PR (2000). Funkcionālā histoloģija: krāsains teksts un atlants. Harkorts.