AEROBNÍ DÝCHÁNÍ: VLASTNOSTI, STADIA A ORGANISMY - BIOLOGIE - 2025

Aerobní respirace nebo aerobní je biologický proces, který zahrnuje získávání energie z organických molekul - zejména glukózu - řadou oxidačních reakcích, kdy konečný akceptor elektronu je atom kyslíku.

Tento proces je přítomen ve velké většině organických bytostí, konkrétně v eukaryotech. Všechna zvířata, rostliny a houby aerobně dýchají. Některé bakterie navíc vykazují aerobní metabolismus.

V eukaryotech je mechanismus buněčného dýchání umístěn v mitochondriích.

Zdroj: Národní ústav pro výzkum lidského genomu (NHGRI) z Bethesdy, MD, USA, přes Wikimedia Commons

Obecně se proces získávání energie z molekuly glukózy dělí na glykolýzu (tento krok je běžný v aerobních i anaerobních drahách), Krebsův cyklus a řetězec přenosu elektronů.

Koncept aerobního dýchání je proti anaerobnímu dýchání. V posledně jmenovaném případě je konečným akceptorem elektronů jiná anorganická látka, odlišná od kyslíku. To je typické pro některé prokaryoty.

Co je kyslík?

Před diskusí o procesu aerobního dýchání je nutné znát určité aspekty molekuly kyslíku.

Je to chemický prvek reprezentovaný v periodické tabulce s písmenem O a atomovým číslem 8. Za standardních podmínek teploty a tlaku má kyslík tendenci se vážit v párech, čímž vzniká molekula dioxygenu.

Tento plyn, který se skládá ze dvou atomů kyslíku, nemá barva, vůně nebo chuti, a je reprezentován obecným vzorcem O ₂. V atmosféře je významnou součástí a je nutné udržovat většinu životních forem na Zemi.

Díky plynné povaze kyslíku je molekula schopna volně procházet buněčnými membránami - vnější membránou, která odděluje buňku od extracelulárního prostředí, a membránami subcelulárních kompartmentů, včetně mitochondrií.

Dýchací charakteristiky

Buňky používají molekuly, které přijímáme prostřednictvím naší stravy, jako druh respiračního „paliva“.

Buněčné dýchání je proces generující energii ve formě molekul ATP, kde molekuly, které mají být degradovány, podléhají oxidaci a konečný akceptor elektronů je ve většině případů anorganická molekula.

Důležitou vlastností, která umožňuje dýchací procesy, je přítomnost řetězce přenosu elektronů. Při aerobním dýchání je konečným akceptorem elektronů molekula kyslíku.

Za normálních podmínek se jedná o uhlohydráty nebo uhlohydráty a tuky nebo tuky. Jak tělo přechází do nejistých podmínek kvůli nedostatku potravy, uchyluje se k použití proteinů, aby se pokusilo uspokojit své energetické nároky.

Slovo dýchání je součástí naší slovní zásoby v každodenním životě. Akt nasávání vzduchu do plic, v nepřetržitých cyklech výdechů a inhalací, nazýváme dýchání.

Ve formálním kontextu věd o životě je však taková akce označována termínem ventilace. Termín dýchání se tedy používá k označení procesů, které probíhají na buněčné úrovni.

Procesy (fáze)

Fáze aerobního dýchání zahrnují nezbytné kroky k získání energie z organických molekul - v tomto případě popíšeme případ molekuly glukózy jako respirační palivo - dokud nedosáhne kyslíkového akceptoru.

Tato složitá metabolická cesta je rozdělena na glykolýzu, Krebsův cyklus a řetězec přenosu elektronů:

Glykolýza

Obrázek 1: glykolýza vs. glukoneogeneze. Zúčastněné reakce a enzymy.

Prvním krokem v rozpadu glukózového monomeru je glykolýza, také nazývaná glykolýza. Tento krok nevyžaduje kyslík přímo a je přítomen prakticky ve všech živých věcech.

Cílem této metabolické dráhy je štěpení glukózy na dvě molekuly kyseliny pyruvové, získání dvou molekul čisté energie (ATP) a redukce dvou molekul NAD ⁺.

V přítomnosti kyslíku může cesta pokračovat do Krebsova cyklu a řetězce přenosu elektronů. V případě nepřítomnosti kyslíku by molekuly postupovaly fermentační cestou. Jinými slovy, glykolýza je běžná metabolická cesta pro aerobní a anaerobní dýchání.

Před Krebsovým cyklem musí dojít k oxidační dekarboxylaci kyseliny pyruvové. Tento krok je zprostředkován velmi důležitým enzymovým komplexem, zvaným pyruvátdehydrogenáza, který provádí výše uvedenou reakci.

Pyruvát se tak stává acetylovým radikálem, který je následně zachycen koenzymem A, který je zodpovědný za jeho transport do Krebsova cyklu.

Krebsův cyklus

Krebsův cyklus, známý také jako cyklus kyseliny citronové nebo cyklus kyseliny trikarboxylové, sestává z řady biochemických reakcí katalyzovaných specifickými enzymy, které se snaží postupně uvolňovat chemickou energii uloženou v acetyl koenzymu A.

Je to cesta, která zcela oxiduje molekulu pyruvátu a vyskytuje se v matrici mitochondrie.

Tento cyklus je založen na řadě oxidačních a redukčních reakcí, které přenášejí potenciální energii ve formě elektronů na prvky, které je přijímají, zejména na molekulu NAD ⁺.

Shrnutí Krebsova cyklu

Každá molekula kyseliny pyruvové se rozkládá na oxid uhličitý a molekulu dvou uhlíku, známou jako acetylová skupina. Spojením s koenzymem A (zmíněným v předchozí části) se vytvoří komplex acetyl koenzym A.

Dva uhlíky kyseliny pyruvové vstupují do cyklu, kondenzují s oxaloacetátem a vytvářejí citronovou molekulu se šesti uhlíky. Tak dochází k oxidačním krokovým reakcím. Citrát se vrací na oxaloacetát s teoretickou produkcí 2 mol oxidu uhličitého, 3 mol NADH, 1 FADH ₂ a 1 mol GTP.

Protože se v glykolýze tvoří dvě molekuly pyruvátu, zahrnuje jedna molekula glukózy dvě revoluce Krebsova cyklu.

Elektronový dopravní řetězec

Transportní řetězec elektronů sestává ze sekvence proteinů, které mají schopnost provádět oxidační a redukční reakce.

Průchod elektronů skrz tyto proteinové komplexy vede k postupnému uvolňování energie, která je následně využívána při generování ATP chemoosmotiky. Důležité je, že poslední řetězová reakce je nevratného typu.

V eukaryotických organismech, které mají subcelulární kompartmenty, jsou prvky transportního řetězce ukotveny k membráně mitochondrie. V prokaryotech, které postrádají tyto kompartmenty, jsou prvky řetězce umístěny v plazmatické membráně buňky.

Reakce tohoto řetězce vedou k tvorbě ATP, skrze energii získanou přemístěním vodíku přes transportéry, dokud nedosáhne konečného akceptoru: kyslík, reakce, která produkuje vodu.

Třídy nosných molekul

Řetěz se skládá ze tří variant dopravníků. První třídou jsou flavoproteiny, charakterizované přítomností flavinu. Tento typ transportéru může alternativně provádět dva typy reakcí, jak redukci, tak oxidaci.

Druhý typ je tvořen cytochromy. Tyto proteiny mají hemovou skupinu (jako hemoglobin), která může vykazovat různé oxidační stavy.

Poslední třídou transportéru je ubichinon, také známý jako koenzym Q. Tyto molekuly nejsou v přírodě proteinem.

Organismy s aerobním dýcháním

Většina živých organismů má dýchání aerobního typu. Je typický pro eukaryotické organismy (bytosti se skutečným jádrem v jejich buňkách, ohraničené membránou). Všechna zvířata, rostliny a houby aerobně dýchají.

Zvířata a houby jsou heterotrofní organismy, což znamená, že „palivo“, které bude použito v metabolické cestě dýchání, musí být ve stravě aktivně spotřebováno. Na rozdíl od rostlin, které mají schopnost produkovat své vlastní jídlo fotosyntézou.

Některé rody prokaryotů také potřebují k dýchání kyslík. Konkrétně existují přísné aerobní bakterie - to znamená, že rostou pouze v prostředích bohatých na kyslík, jako jsou pseudomonas.

Jiné rody bakterií mají schopnost změnit svůj metabolismus z aerobních na anaerobní na základě podmínek prostředí, jako jsou salmonely. V prokaryotech je aerobní nebo anaerobní význam pro jejich klasifikaci.

Rozdíly od anaerobního dýchání

Opačným postupem než aerobní dýchání je anaerobní režim. Nejviditelnějším rozdílem mezi těmito dvěma je použití kyslíku jako konečného přijímače elektronů. Anaerobní dýchání používá jako akceptory další anorganické molekuly.

Kromě toho je při anaerobním dýchání konečný produkt reakcí molekula, která má stále potenciál oxidovat. Například během fermentace se ve svalech vytváří kyselina mléčná. Naproti tomu konečnými produkty aerobního dýchání jsou oxid uhličitý a voda.

Existují také rozdíly z hlediska energie. V anaerobní cestě se produkují pouze dvě molekuly ATP (odpovídající glykolytické cestě), zatímco při aerobním dýchání je konečný produkt obecně asi 38 molekul ATP - což je významný rozdíl.

Reference

1. Campbell, MK, & Farrell, SO (2011). Biochemie. Šesté vydání. Thomson. Brooks / Cole.
2. Curtis, H. (2006). Pozvánka k biologii. Šesté vydání. Buenos Aires: Pan-American Medical.
3. Estrada, E & Aranzábal, M. (2002). Histologie obratlovců. Národní autonomní univerzita v Mexiku. Page 173.
4. Hall, J. (2011). Smlouva o lékařské fyziologii. New York: Elsevier Health Sciences.
5. Harisha, S. (2005). Úvod do praktické biotechnologie. Nové Dillí: Firewall Media.
6. Hill, R. (2006). Fyziologie zvířat. Madrid: Pan-American Medical.
7. Iglesias, B., Martín, M. & Prieto, J. (2007). Základy fyziologie. Madrid: Tebar.
8. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Biochemie: text a atlas. Panamerican Medical Ed.
9. Vasudevan, D. & Sreekumari S. (2012). Biochemický text pro studenty medicíny. Šesté vydání. Mexiko: JP Medical Ltd.