- Terminologie
- Kde dochází k buněčnému dýchání?
- Místo dýchání v eukaryotech
- Počet mitochondrií
- Umístění prokaryotického dýchání
- Typy
- Aerobní dýchání
- Anerobní dýchání
- Příklady anaerobních organismů
- Proces
- Krebsův cyklus
- Krebsovy cyklové reakce
- Transportní řetěz elektronů
- Chemosmotická vazba
- Množství vytvořené ATP
- Funkce
- Reference
Buněčné dýchání je proces, který generuje energii na formě ATP (adenosintrifosfátu). Později je tato energie směrována do jiných buněčných procesů. Během tohoto jevu molekuly procházejí oxidací a konečný akceptor elektronů je ve většině případů anorganická molekula.
Povaha konečného akceptoru elektronů závisí na typu dýchání studovaného organismu. V aerobech - jako je Homo sapiens - je konečným elektronovým akceptorem kyslík. Naproti tomu pro anaerobní respirátory může být kyslík toxický. V druhém případě je konečným akceptorem anorganická molekula jiná než kyslík.
Zdroj: Darekk2, z Wikimedia Commons
Aerobní dýchání bylo rozsáhle studováno biochemiky a sestává ze dvou fází: Krebsův cyklus a řetězec přenosu elektronů.
U eukaryotických organismů je veškerý mechanismus nutný k dýchání uvnitř mitochondrií, a to jak v mitochondriální matrici, tak v membránovém systému této organely.
Stroje se skládají z enzymů, které katalyzují reakce procesu. Prokaryontní linie se vyznačuje nepřítomností organel; Z tohoto důvodu dochází k dýchání ve specifických oblastech plazmatické membrány, které simulují prostředí velmi podobné prostředí mitochondrií.
Terminologie
V oblasti fyziologie má termín „dýchání“ dvě definice: plicní dýchání a buněčné dýchání. Když používáme slovo dech v každodenním životě, máme na mysli první typ.
Plicní dýchání zahrnuje činnost dýchání dovnitř a ven, tento proces vede k výměně plynů: kyslíku a oxidu uhličitého. Správný termín pro tento jev je „ventilace“.
Naproti tomu buněčné dýchání nastává - jak název napovídá - uvnitř buněk a je to proces, který je zodpovědný za generování energie prostřednictvím řetězce přenosu elektronů. Tento poslední proces je ten, který bude popsán v tomto článku.
Kde dochází k buněčnému dýchání?
Místo dýchání v eukaryotech
Mitochondrie
Buněčné dýchání se odehrává ve složité organele zvané mitochondrie. Strukturálně jsou mitochondrie široké 1,5 mikronů a dlouhé 2 až 8 mikronů. Vyznačují se tím, že mají svůj vlastní genetický materiál a dělí se binárním štěpením - vlastní vlastnosti jejich endosymbiotického původu.
Mají dvě membrány, hladkou a vnitřní, se záhyby, které tvoří hřebeny. Čím aktivnější jsou mitochondrie, tím více má hřebeny.
Interiér mitochondrií se nazývá mitochondriální matice. V tomto oddílu jsou enzymy, koenzymy, voda a fosfáty nezbytné pro respirační reakce.
Vnější membrána umožňuje průchod většiny malých molekul. Je to však vnitřní membrána, která ve skutečnosti omezuje průchod velmi specifickými transportéry. Propustnost této struktury hraje zásadní roli při výrobě ATP.
Počet mitochondrií
Enzymy a další složky nezbytné pro buněčné dýchání se nacházejí ukotvené v membránách a volné v mitochondriální matrici.
Buňky, které vyžadují větší množství energie, se proto vyznačují vysokým počtem mitochondrií, na rozdíl od buněk, jejichž energetická náročnost je nižší.
Například jaterní buňky mají v průměru 2 500 mitochondrií, zatímco svalová buňka (velmi metabolicky aktivní) obsahuje mnohem vyšší počet a mitochondrie tohoto typu buněk jsou větší.
Kromě toho jsou umístěny ve specifických oblastech, kde je vyžadována energie, například obklopující bičík spermie.
Umístění prokaryotického dýchání
Logicky prokaryotické organismy potřebují dýchat a nemají mitochondrie - ani složité organely charakteristické pro eukaryoty. Z tohoto důvodu probíhá respirační proces při malých invazacích plazmatické membrány, analogicky tomu, jak k tomu dochází v mitochondriích.
Typy
Existují dva základní typy dýchání, v závislosti na molekule, která fungovala jako konečný akceptor elektronů. Při aerobním dýchání je akceptor kyslík, zatímco v anaerobních to je anorganická molekula - i když v několika konkrétních případech je akceptor organická molekula. Každý z nich podrobně popíšeme níže:
Aerobní dýchání
U aerobních dýchacích organismů je konečným akceptorem elektronů kyslík. Kroky, které nastanou, jsou rozděleny do Krebsova cyklu a řetězce transportu elektronů.
Podrobné vysvětlení reakcí, které se vyskytují v těchto biochemických drahách, bude uvedeno v následující části.
Anerobní dýchání
Konečný akceptor sestává z molekuly jiné než kyslík. Množství ATP generovaného anaerobním dýcháním závisí na několika faktorech, včetně zkoumaného organismu a použité cesty.
Produkce energie je však vždy vyšší při aerobním dýchání, protože Krebsův cyklus funguje pouze částečně a ne všechny transportní molekuly v řetězci se účastní dýchání.
Z tohoto důvodu je růst a vývoj anaerobních jedinců výrazně nižší než u aerobních jedinců.
Příklady anaerobních organismů
U některých organismů je kyslík toxický a nazývají se přísnými anaeroby. Nejznámějším příkladem je bakterie způsobující tetanus a botulismus: Clostridium.
Kromě toho existují jiné organismy, které se mohou střídat mezi aerobním a anaerobním dýcháním, které se nazývají fakultativní anaerobové. Jinými slovy, kyslík používají, když se jim to hodí, a pokud není k dispozici, uchylují se k anaerobnímu dýchání. Tento metabolismus má například známá bakterie Escherichia coli.
Některé bakterie mohou používat dusičnanový ion (NO 3 -) jako finální akceptor elektronů, jako jsou rod Pseudomonas a Bacillus. Uvedený ion může být redukován na dusitanový ion, oxid dusný nebo plynný dusík.
V jiných případech, konečný akceptor se skládá z iontů síranu (SO 4 2), která dává vzniknout na sirovodík, a používá uhličitanu, za vzniku methanu. Příklad bakterií Desulfovibrio je příkladem tohoto typu akceptoru.
Tento příjem elektronů v molekulách dusičnanů a síranů je zásadní v biogeochemických cyklech těchto sloučenin - dusíku a síry.
Proces
Glykolýza je cesta před buněčným dýcháním. Začíná molekulou glukózy a konečným produktem je pyruvát, molekula tří uhlíku. Glykolýza probíhá v cytoplazmě buňky. Tato molekula musí být schopna vstoupit do mitochondrií, aby mohla pokračovat v její degradaci.
Pyruvát může difundovat přes koncentrační gradienty do organely, přes póry membrány. Konečným cílem bude matice mitochondrií.
Před vstupem do prvního kroku buněčného dýchání molekula pyruvátu podléhá určitým změnám.
Nejprve reaguje s molekulou zvanou koenzym A. Každý pyruvát štěpí na oxid uhličitý a acetylovou skupinu, která se váže na koenzym A, čímž vzniká komplex aceyl koenzymu A.
Při této reakci jsou dva elektrony a vodíkové ionty přeneseny do NADP +, čímž se získá NADH a je katalyzován komplexem enzymu pyruvát dehydrogenázy. Reakce vyžaduje řadu kofaktorů.
Po této úpravě začnou dvě fáze dýchání: Krebsův cyklus a transportní řetěz elektronů.
Krebsův cyklus
Krebsův cyklus je jednou z nejdůležitějších cyklických reakcí v biochemii. V literatuře je také znám jako cyklus kyseliny citronové nebo cyklus kyseliny trikarboxylové (TCA).
Je pojmenována po svém objeviteli: německý biochemik Hans Krebs. V roce 1953 získal Krebs Nobelovu cenu za tento objev, který se vyznačoval oblastí biochemie.
Cílem cyklu je postupné uvolňování energie obsažené v acetyl koenzymu A. Skládá se z řady oxidačních a redukčních reakcí, které přenášejí energii na různé molekuly, zejména NAD +.
Za každých dvou molekul acetylkoenzymu A, které vstupují do cyklu, čtyři molekuly oxidu uhličitého se uvolní, šest molekuly NADH a dva z FADH 2 jsou generovány. CO 2 se do atmosféry uvolňuje jako látka odpadů z procesu. Generuje se také GTP.
Protože se tato cesta účastní jak anabolických (syntéza molekul), tak katabolických procesů (degradace molekul), nazývá se „amfibolický“.
Krebsovy cyklové reakce
Cyklus začíná fúzí molekuly acetyl koenzymu A s oxaloacetátovou molekulou. Toto spojení vede ke vzniku šesti atomů uhlíku: citrátu. Tím se uvolňuje koenzym A. Ve skutečnosti se opakovaně používá. Pokud je v buňce příliš mnoho ATP, je tento krok inhibován.
Výše uvedená reakce vyžaduje energii a získá ji z přerušení vysokoenergetické vazby mezi acetylovou skupinou a koenzymem A.
Citrát je přeměněn na cis akonitát a enzymem akonitázou je přeměněn na isocitrát. Dalším krokem je přeměna isocitrátu na alfa-ketoglutarát dehydrogenovaným isocitrátem. Tato fáze je důležitá, protože vede ke snížení NADH a uvolňuje oxid uhličitý.
Alfa ketoglutarát je přeměněn na sukcinyl koenzym A alfa-ketoglutarát dehydrogenázou, která používá stejné kofaktory jako pyruvát kináza. V tomto kroku je také generován NADH a jako počáteční krok je inhibován nadbytkem ATP.
Dalším produktem je sukcinát. Při jeho výrobě dochází k tvorbě GTP. Sukcinát se mění na fumarát. Tato reakce poskytne FADH. Fumarát se zase stává malátem a nakonec oxaloacetátem.
Transportní řetěz elektronů
Cílem řetězce přenosu elektronů je odebrat elektrony ze sloučenin generovaných v předchozích krocích, jako jsou NADH a FADH 2, které jsou na vysoké energetické úrovni, a posunout je na nižší energetickou úroveň.
K tomuto poklesu energie dochází postupně, to znamená, že nenastane náhle. Skládá se z řady kroků, kde dochází k redoxním reakcím.
Hlavními složkami řetězce jsou komplexy tvořené proteiny a enzymy vázanými na cytochromy: metaloporfyriny hemu.
Cytochromy jsou velmi podobné, pokud jde o jejich strukturu, ačkoli každý z nich má zvláštnost, která mu umožňuje vykonávat jeho specifickou funkci v řetězci, zpívat elektrony na různých úrovních energie.
Pohyb elektronů dýchacím řetězcem na nižší úrovně vede k uvolňování energie. Tato energie může být použita v mitochondriích k syntéze ATP, v procesu známém jako oxidační fosforylace.
Chemosmotická vazba
Mechanismus tvorby ATP v řetězci byl po dlouhou dobu záhadou, dokud biochemik Peter Mitchell nenavrhl chemosmotickou vazbu.
V tomto jevu je protonový gradient vytvořen přes vnitřní mitochondriální membránu. Energie obsažená v tomto systému se uvolňuje a používá k syntéze ATP.
Množství vytvořené ATP
Jak jsme viděli, ATP netvoří přímo v Krebsově cyklu, ale v řetězci přenosu elektronů. Pro každé dva elektrony, které přecházejí z NADH na kyslík, dochází k syntéze tří molekul ATP. Tento odhad se může poněkud lišit v závislosti na použité literatuře.
Podobně, pro každé dva elektrony, které procházejí z FADH 2, jsou vytvořeny dva ATP molekuly.
Funkce
Hlavní funkcí buněčného dýchání je tvorba energie ve formě ATP, aby byla schopna ji nasměrovat na funkce buňky.
Zvířata i rostliny musí extrahovat chemickou energii obsaženou v organických molekulách, které používají pro potraviny. V případě zeleniny jsou tyto molekuly cukry, které stejná rostlina syntetizuje s využitím sluneční energie při slavném fotosyntetickém procesu.
Zvířata na druhé straně nejsou schopna syntetizovat své vlastní jídlo. Heterotrofy tedy konzumují jídlo ve stravě - například my. Oxidační proces je zodpovědný za získávání energie z potravin.
Neměli bychom si plést funkce fotosyntézy s funkcemi dýchání. Rostliny, stejně jako zvířata, také dýchají. Oba procesy se vzájemně doplňují a udržují dynamiku živého světa.
Reference
- Alberts, B., a Bray, D. (2006). Úvod do buněčné biologie. Panamerican Medical Ed.
- Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologie: Život na Zemi. Pearsonovo vzdělávání.
- Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologie. Panamerican Medical Ed.
- Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, a Garrison, C. (2007). Integrované základy zoologie. McGraw-Hill.
- Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckertova fyziologie zvířat. Macmillan.
- Tortora, GJ, Funke, BR, a Case, CL (2007). Úvod do mikrobiologie. Panamerican Medical Ed.
- Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., a Wheater, PR (2000). Funkční histologie: barevný text a atlas. Harcourt.