Cell respiration process, typer och funktioner



den cellulär andning Det är en process som genererar energi i form av ATP (adenosintrifosfat). Därefter riktas denna energi till andra cellulära processer. Under detta fenomen genomgår molekylerna oxidation och den slutliga elektronacceptorn är i de flesta fall en oorganisk molekyl.

Den slutliga elektronacceptorns natur beror på vilken typ av andning av den studerade organismen. I aerobes - som Homo sapiens - är den sista elektronacceptorn syre. Däremot kan syre vara giftigt för individer med anaerob andning. I det sista fallet är den slutliga acceptorn en oorganisk molekyl som skiljer sig från syre.

Aerob andning har studerats allmänt av biokemister och består av två steg: Krebs-cykeln och elektrontransportkedjan.

I eukaryotiska organismer är alla maskiner som behövs för andning att äga rum inuti mitokondrier, både i mitokondriematrisen och i membransystemet i denna organella..

Maskinerna består av enzymer som katalyserar reaktionerna i processen. Den prokaryota linjen karakteriseras av frånvaron av organeller; Av denna anledning sker andning i specifika regioner i plasmamembranet som simulerar en miljö som är mycket lik den för mitokondrier..

index

  • 1 Terminologi
  • 2 Var uppstår cellulär andning??
    • 2.1 Läge av andning i eukaryoter
    • 2,2 Antal mitokondrier
    • 2.3 Placering av prokaryotisk andning
  • 3 typer
    • 3.1 Aerobisk andning
    • 3.2 Anerbisk andning
    • 3.3 Exempel på anaeroba organismer
  • 4 Process
    • 4.1 Krebs-cykeln
    • 4.2 Reaktioner av Krebs-cykeln
    • 4.3 Elektrontransportkedjan
    • 4.4 Kemosmotisk koppling
    • 4,5 Mängden ATP bildad
  • 5 funktioner
  • 6 referenser

terminologi

På fysiologins område har termen "andning" två definitioner: lungrespiration och cellulär andning. När vi använder ordet respiration i vardagen, hänvisar vi till den första typen.

Lung andning involverar inspirationen och utgången, denna process resulterar i utbyte av gaser: syre och koldioxid. Den korrekta termen för detta fenomen är "ventilation".

I motsats härtill förekommer cellulär andning - som namnet antyder - inom cellerna och är processen ansvarig för att generera energi genom en elektrontransportkedja. Den här sista processen är den som kommer att diskuteras i den här artikeln.

Var sker cellulär andning??

Placering av andning i eukaryoter

Cell respiration sker i en komplex organell som kallas mitokondrier. Strukturellt är mitokondrier 1,5 mikrometer breda och 2 till 8 långa. De kännetecknas av att de har sitt eget genetiska material och genom att dividera genom binär fission - väsentliga egenskaper hos deras endosymbiotiska ursprung.

De har två membran, en slät och en intern med veck som bildar åsarna. Ju mer aktiva mitokondrier är, desto fler krönder har den.

Den inre av mitokondrier kallas mitokondriellmatrisen. I detta fack är enzymer, koenzymer, vatten och fosfater som är nödvändiga för andningsreaktioner.

Yttermembranet tillåter passage av de flesta små molekyler. Det inre membranet är emellertid det som faktiskt begränsar passagen genom mycket specifika transportörer. Genomförandet av denna struktur spelar en grundläggande roll vid produktionen av ATP.

Antal mitokondrier

De enzymer och andra komponenter som är nödvändiga för cellulär andning finns förankrade i membranen och fritt i mitokondriell matrisen.

Därför kännetecknas celler som kräver en större mängd energi, av att ha ett stort antal mitokondrier, i motsats till celler vars energibehov är lägre.

Leverceller har till exempel i genomsnitt 2,500 mitokondrier, medan en muskelcell (mycket metaboliskt aktiv) innehåller ett mycket större antal och mitokondrier av denna celltyp är större.

Dessutom är dessa belägna i specifika områden där energi behövs, till exempel kring spermarkelellum.

Plats för prokaryotisk andning

Logiskt behöver prokaryota organismer andas och dessa har inte mitokondrier - eller komplexa organeller som är karakteristiska för eukaryoter. Av denna anledning sker andningsförloppet i små invaginationer av plasmamembranet, analogt med mitokondrier..

Typ

Det finns två grundläggande typer av andning, beroende på molekylen som fungerade som elektronens slutliga acceptor. Vid aerob andning är acceptorn syre, medan det vid anaerob andning är en oorganisk molekyl - även om det i vissa sällsynta fall är acceptorn en organisk molekyl. Nästa kommer vi att beskriva var och en i detalj:

Aerob andning

I organismer med aerob respiration är den slutliga acceptorn av elektroner syre. Stegen som uppstår är uppdelade i Krebs-cykeln och elektrontransportkedjan.

Den detaljerade förklaringen av de reaktioner som sker i dessa biokemiska vägar kommer att utvecklas i följande avsnitt.

Aneokobisk andning

Den slutliga acceptorn består av en annan molekyl än syre. Mängden ATP som genereras genom anaerob andning beror på flera faktorer, inklusive studieorganismen och den använda rutten..

Produktionen av energi är emellertid alltid större vid aerob andning, eftersom Krebs-cykeln endast fungerar delvis och inte alla transportmolekyler i kedjan deltar i andning

Av denna anledning är tillväxten och utvecklingen av anaeroba individer betydligt lägre än aerobics.

Exempel på anaeroba organismer

I vissa organismer är syre giftigt och kallas strikta anaerober. Det mest kända exemplet är bakterien som orsakar tetanus och botulism: Clostridium.

Dessutom finns det andra organismer som kan alternera mellan aerob och anaerob andning, som kallas frivilliga anaerober. Med andra ord använder de syre när det passar dem och i avsaknad av det ansluter de till anaerob andning. Till exempel den välkända bakterien Escherichia coli har denna metabolism.

Vissa bakterier kan använda nitratjon (NO3-) som den sista acceptorn av elektroner, såsom genren av pseudomonas och Bacillus. Denna jon kan reduceras till nitritjonen, kväveoxiden eller kvävegasen.

I andra fall består den slutliga acceptorn av sulfatjonen (SO42-) som ger upphov till vätesulfid och som använder karbonat för att bilda metan. Bakteriernas släkt Desulfovibrio är ett exempel på denna typ av acceptor.

Denna mottagning av elektroner i nitrat- och sulfatmolekyler är avgörande i de biogeokemiska cyklerna hos dessa föreningar - kväve och svavel.

process

Glykolys är en tidigare väg till cellulär andning. Det börjar med en glukosmolekyl och slutprodukten är pyruvat, en tre-kolmolekyl. Glykolys sker i cellens cytoplasma. Denna molekyl måste kunna komma in i mitokondrier för att fortsätta dess nedbrytning.

Pyruvat kan diffundera genom koncentrationsgradienterna in i organellen, genom membranets porer. Det slutliga målet kommer att vara matrisen för mitokondrier.

Innan man går in i det första steget av cellulär andning genomgår pyruvatmolekylen vissa modifieringar.

För det första reagerar den med en molekyl som heter koenzym A. Varje pyruvat klyvs i koldioxid och in i acetylgruppen, som binder till koenzym A, vilket ger upphov till acetylko-enzym A-komplexet..

I denna reaktion överförs två elektroner och en vätejon till NADP+, vilket ger NADH och katalyseras av det enzymatiska komplexpyruvatdehydrogenaset. Reaktionen behöver en serie kofaktorer.

Efter denna modifikation börjar de två stadierna inom andning: Krebs-cykeln och elektrontransportkedjan.

Krebs-cykeln

Krebs-cykeln är en av de viktigaste cykliska reaktionerna inom biokemi. Det är också känt i litteraturen som citronsyracykeln eller trikarboxylsyracykeln (TCA).

Den mottar sitt namn till ära för sin upptäckare: den tyska biokemisten Hans Krebs. 1953 fick Krebs Nobelpriset tack vare denna upptäckt som markerade området biokemi.

Syftet med cykeln är den gradvisa frisättningen av den energi som finns i acetylko-enzym A. Det består av en serie oxidations- och reduktionsreaktioner som överför energi till olika molekyler, huvudsakligen till NAD+.

För varje två molekyler acetylkoenzym A som går in i cykeln frisätts fyra koldioxidmolekyler, sex molekyler NADH och två av FADH genereras2. CO2 Det släpps ut i atmosfären som avfallsstof i processen. GTP genereras också.

Eftersom denna väg deltar i både anabola (molekylsyntes) och kataboliska (molekylnedbrytning) processer kallas den för "amfibolisk".

Reaktioner av Krebs-cykeln

Cykeln börjar med fusion av en molekyl acetylko-enzym A med en oxaloacetatmolekyl. Denna union resulterar i en sex-kolmolekyl: citrat. Således frigörs koenzym A. Faktum är det återanvänds ett stort antal gånger. Om det finns mycket ATP i cellen, hämmas detta steg.

Ovanstående reaktion behöver energi och erhålles från nedbrytningen av högenergibindningen mellan acetylgruppen och koenzymet A.

Citratet passerar till cis aconitato och händer med isocitrat av enzymet aconitasa. Nästa steg är omvandlingen av isokitrat till alfa-ketoglutarat genom dehydrogenerat isocitrat. Detta steg är relevant eftersom det leder till minskning av NADH och utsläpp av koldioxid.

Alfa-ketoglutarat omvandlas till succinylko-enzym A, genom alfa-ketoglutarat-dehydrogenas, som använder samma koaktorer som pyruvatkinas. I detta steg genereras också NADH och, som det initiala steget, hämmas det av överskottet av ATP.

Nästa produkt är succinat. I dess produktion uppstår bildandet av GTP. Succinatet passerar till fumarat. Denna reaktion ger FADH. Fumaratet blir i sin tur malat och slutligen oxalacetat.

Elektrontransportkedjan

Elektrontransportkedjan har som mål att ta elektroner från föreningarna som genererats i tidigare steg, såsom NADH och FADH2, som är på hög energinivå och leder dem till en lägre energinivå.

Denna minskning av energi sker steg för steg, det vill säga det sker inte plötsligt. Den består av en rad steg där oxidationsreduceringsreaktioner uppträder.

Kedjans huvudkomponenter är komplex som bildas av proteiner och enzymer kopplade till cytokromer: metalloporfyriner av hemtypen.

Cytokromerna är ganska lika med avseende på deras struktur, även om var och en har en specificitet som gör att den kan utföra sin specifika funktion inom kedjan, sjungna elektroner på olika energinivåer..

Förskjutningen av elektroner genom andningskedjan till lägre nivåer ger upphov till energiutsläpp. Denna energi kan användas i mitokondrier för att syntetisera ATP, i en process som kallas oxidativ fosforylering.

Kemosmotisk koppling

Under en lång tid var mekanismen för bildning av ATP i kedjan en gåta, tills biokemisten Peter Mitchell föreslog kemosmotisk koppling.

I detta fenomen etableras en protongradient genom det inre mitokondriella membranet. Energin i detta system släpps och används för att syntetisera ATP.

Mängd ATP bildad

Som vi såg, bildar ATP inte direkt i Krebs-cykeln, men i elektrontransportkedjan. För varje två elektroner som passerar från NADH till syre uppstår syntesen av tre molekyler av ATP. Denna uppskattning kan variera lite beroende på litteraturen som konsulterats.

På samma sätt, för varje två elektroner som passerar från FADH2, två molekyler av ATP bildas.

funktioner

Huvudfunktionen hos cellulär andning är genereringen av energi i form av ATP för att rikta den till cellens funktioner.

Både djur och växter kräver extraktion av den kemiska energi som ingår i de organiska molekylerna som de använder som mat. När det gäller grönsaker är dessa molekyler sockerarterna som samma anläggning syntetiserar med användning av solenergi i den berömda fotosyntetiska processen.

Djur, å andra sidan, kan inte syntetisera sin egen mat. Således konsumerar heterotrofer mat i kosten - som oss, till exempel. Oxideringsprocessen är ansvarig för att extrahera energi från mat.

Vi får inte förväxla fotosyntesens funktioner med respirationsfunktionerna. Växter, som djur, andas också. Båda processerna är komplementära och upprätthåller levnadsvärldens dynamik.

referenser

  1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introduktion till cellbiologi. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B.E. (2003). Biologi: Livet på jorden. Pearson utbildning.
  3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. biologi. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C.P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2007). Integrerade zoologiska principer. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckert djurfysiologi. Macmillan.
  6. Tortora, G.J., Funke, B.R., och Case, C.L. (2007). Introduktion till mikrobiologi. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J.W., Lowe, J.S., Stevens, A., & Wheater, P.R. (2000). Funktionell histologi: text- och färgatlas. Harcourt.