CELLULAR RESPIRATION: PROSESS, TYPER OG FUNKSJONER - BIOLOGI - 2026

Den cellulær respirasjon er en prosess som genererer energi i den form av ATP (adenosin trifosfat). Senere blir denne energien rettet mot andre cellulære prosesser. Under dette fenomenet gjennomgår molekylene oksidasjon og den endelige akseptoren av elektronene er i de fleste tilfeller et uorganisk molekyl.

Naturen til den endelige elektronakseptoren avhenger av respirasjonstypen til den studerte organismen. I aerobes - som Homo sapiens - er den endelige elektronakseptoren oksygen. I kontrast til dette kan oksygen være giftig for anaerobe respiratorer. I sistnevnte tilfelle er den endelige akseptoren et annet uorganisk molekyl enn oksygen.

Kilde: Av Darekk2, fra Wikimedia Commons

Aerob respirasjon har blitt grundig studert av biokjemikere og består av to stadier: Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden.

I eukaryote organismer er alt nødvendig maskineri for å få respirasjon sted innenfor mitokondriene, både i mitokondriell matrise og i membransystemet til denne organellen.

Maskineriet består av enzymer som katalyserer reaksjonene i prosessen. Den prokaryotiske avstamningen er preget av fravær av organeller; Av denne grunn oppstår respirasjon i spesifikke regioner av plasmamembranen som simulerer et miljø som er veldig likt det i mitokondriene.

Terminologi

Innen fysiologi har uttrykket "respirasjon" to definisjoner: lungeadming og cellular respiration. Når vi bruker ordet pust i hverdagen, viser vi til den første typen.

Pulmonal respirasjon omfatter virkningen av å puste inn og ut, denne prosessen resulterer i utveksling av gasser: oksygen og karbondioksid. Det riktige uttrykket for dette fenomenet er "ventilasjon."

I motsetning til dette skjer cellespirasjon - som navnet tilsier - inne i celler og er prosessen som har ansvar for å generere energi gjennom en elektrontransportkjede. Denne siste prosessen er den som vil bli diskutert i denne artikkelen.

Hvor forekommer cellulær respirasjon?

Plasseringen av respirasjon i eukaryoter

mitokondrier

Cellulær respirasjon finner sted i en kompleks organell kalt mitokondriene. Strukturelt sett er mitokondrier 1,5 mikrometer brede og 2 til 8 mikron lange. De er preget av å ha sitt eget genetisk materiale og ved å dele med binær fisjon - vestigiale egenskaper ved deres endosymbiotiske opprinnelse.

De har to membraner, en glatt og en indre med bretter som danner ryggene. Jo mer aktiv mitokondriene er, jo flere rygger har den.

Det indre av mitokondrionen kalles mitokondriell matrise. I dette rommet er enzymene, koenzymene, vann og fosfater som er nødvendige for respirasjonsreaksjoner.

Den ytre membranen tillater passering av de fleste små molekyler. Imidlertid er det den indre membranen som faktisk begrenser passasjen gjennom veldig spesifikke transportører. Gjennomtrengeligheten av denne strukturen spiller en grunnleggende rolle i produksjonen av ATP.

Antall mitokondrier

Enzymene og andre komponenter som er nødvendige for cellulær respirasjon blir funnet forankret i membranene og frie i mitokondriell matrise.

Derfor er celler som krever en større mengde energi preget av å ha et høyt antall mitokondrier, i motsetning til celler hvis energibehov er lavere.

For eksempel har leverceller i gjennomsnitt 2500 mitokondrier, mens en muskelcelle (veldig metabolsk aktiv) inneholder et mye høyere antall, og mitokondriene av denne celletypen er større.

I tillegg er disse lokalisert i spesifikke regioner der det kreves energi, for eksempel rundt flagg av sæd.

Plassering av prokaryot respirasjon

Logisk sett trenger prokaryote organismer å puste, og de har ikke mitokondrier - og heller ikke komplekse organeller som er karakteristiske for eukaryoter. Av denne grunn foregår åndedrettsprosessen i små invagasjoner av plasmamembranen, analogt med hvordan den oppstår i mitokondrier.

typer

Det er to grunnleggende typer respirasjon, avhengig av molekylet som fungerte som den endelige akseptoren for elektronene. Ved aerob respirasjon er akseptoren oksygen, mens den i anaerob er et uorganisk molekyl - selv om akseptoren i noen få spesifikke tilfeller er et organisk molekyl. Vi vil beskrive hver i detalj nedenfor:

Aerobisk respirasjon

I aerobe respirasjonsorganismer er den endelige akseptoren for elektroner oksygen. Trinnene som oppstår er delt inn i Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden.

Den detaljerte forklaringen av reaksjonene som finner sted i disse biokjemiske traséene vil bli utviklet i neste avsnitt.

Anerob respirasjon

Den endelige akseptoren består av et annet molekyl enn oksygen. Mengden ATP generert ved anaerob respirasjon avhenger av flere faktorer, inkludert organismen som er undersøkt og ruten som brukes.

Energiproduksjonen er imidlertid alltid høyere i aerob respirasjon, siden Krebs-syklusen bare fungerer delvis og ikke alle transportermolekyler i kjeden deltar i respirasjon.

Av denne grunn er veksten og utviklingen av anaerobe individer betydelig mindre enn aerobe.

Eksempler på anaerobe organismer

I noen organismer er oksygen giftig, og de kalles strenge anaerober. Det mest kjente eksemplet er bakterien som forårsaker stivkrampe og botulisme: Clostridium.

I tillegg er det andre organismer som kan veksle mellom aerob og anaerob respirasjon, som kalles fakultative anaerober. Med andre ord bruker de oksygen når det passer dem, og i mangel av det tyr de til anaerob respirasjon. For eksempel har den velkjente bakterien Escherichia coli denne metabolismen.

Enkelte bakterier kan bruke nitrationet (NO ₃ ^- ) som den endelige elektronakseptor, for eksempel slektene Pseudomonas og Bacillus. Nevnte ion kan reduseres til nitrition, lystgass eller nitrogengass.

I andre tilfeller består den endelige akseptoren av sulfationet (SO ₄ ^2- ) som gir opphav til hydrogensulfid og bruker karbonatet til å danne metan. Desulfovibrio-slekten til bakterier er et eksempel på denne typen akseptorer.

Denne mottakelsen av elektroner i nitrat- og sulfatmolekyler er avgjørende i de biogeokjemiske syklusene for disse forbindelsene - nitrogen og svovel.

Prosess

Glykolyse er en vei før cellulær respirasjon. Det starter med et glukosemolekyl og sluttproduktet er pyruvat, et tre-karbon molekyl. Glykolyse foregår i cytoplasma av cellen. Dette molekylet må kunne komme inn i mitokondriene for å fortsette nedbrytningen.

Pyruvat kan diffundere gjennom konsentrasjonsgradienter inn i organellen, gjennom porene i membranen. Den endelige destinasjonen vil være matrisen til mitokondriene.

Før pyruvat-molekylet gjennomgår det første trinnet i cellulær respirasjon, gjennomgår visse modifikasjoner.

Først reagerer den med et molekyl som kalles koenzym A. Hvert pyruvat klistres til karbondioksyd og acetylgruppen, som binder seg til koenzym A, gir opphav til aceylkoenzym A-komplekset.

I denne reaksjonen overføres to elektroner og et hydrogenion til NADP ⁺ , hvilket gir NADH, og det katalyseres av pyruvatdehydrogenase-enzymkomplekset. Reaksjonen krever en serie med kofaktorer.

Etter denne modifikasjonen begynner de to stadiene innen respirasjon: Krebs-syklusen og elektrontransportkjeden.

Krebs-syklusen

Krebs-syklusen er en av de viktigste sykliske reaksjonene i biokjemi. Det er også kjent i litteraturen som sitronsyresyklus eller trikarboksylsyresyklus (TCA).

Den er oppkalt etter oppdageren: den tyske biokjemikeren Hans Krebs. I 1953 ble Krebs tildelt Nobelprisen for denne oppdagelsen som markerte feltet for biokjemi.

Målet med syklusen er den gradvise frigjøringen av energien i acetylkoenzym A. Den består av en serie oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner som overfører energi til forskjellige molekyler, hovedsakelig NAD ⁺ .

For hvert to molekyler av acetylkoenzym A som kommer inn i syklusen, frigjøres fire molekyler av karbondioksid, seks molekyler av NADH og to av FADH ₂ . CO ₂ frigjøres til atmosfæren som et avfallsstoff fra prosessen. GTP genereres også.

Siden denne traseen deltar i både anabole (molekylsyntese) og kataboliske (molekyldegradering) prosesser, kalles den “amfibolisk”.

Krebs sykler reaksjoner

Syklusen begynner med fusjon av et acetylkoenzym A-molekyl med et oksaloacetatmolekyl. Denne foreningen gir opphav til et molekyl med seks karbon: sitrat. Dermed frigjøres koenzym A. Faktisk gjenbrukes det mange ganger. Hvis det er for mye ATP i cellen, hemmes dette trinnet.

Ovennevnte reaksjon krever energi og oppnår den fra å bryte den høye energibindingen mellom acetylgruppen og koenzym A.

Citrat omdannes til cis aconitate, og omdannes til isocitrat av enzymet aconitase. Det neste trinnet er konvertering av isocitrat til alfa-ketoglutarat med dehydrogenert isocitrat. Dette stadiet er relevant fordi det fører til reduksjon av NADH og frigjør karbondioksid.

Alfaketoglutarat omdannes til succinyl-koenzym A av alfa-ketoglutarat-dehydrogenase, som bruker de samme kofaktorene som pyruvatkinase. NADH blir også generert i dette trinnet, og som det første trinnet blir det hemmet av overflødig ATP.

Neste produkt er succinat. I sin produksjon forekommer dannelsen av GTP. Sukkinat endres til fumarat. Denne reaksjonen gir FADH. Fumaratet blir på sin side malat og til slutt oksaloacetat.

Elektrontransportkjeden

Målet med elektrontransportkjeden er å ta elektronene fra forbindelsene generert i tidligere trinn, for eksempel NADH og FADH ₂ , som har et høyt energinivå, og føre dem til et lavere energinivå.

Denne reduksjonen i energi skjer trinn for trinn, det vil si at den ikke oppstår brått. Den består av en serie trinn der redoksreaksjoner oppstår.

Hovedkomponentene i kjeden er komplekser som er dannet av proteiner og enzymer koblet til cytokromer: heme-type metalloporfyriner.

Cytokromer er ganske like med tanke på deres struktur, selv om hver og en har en egenart som gjør at den kan utføre sin spesifikke funksjon i kjeden, og synger elektroner på forskjellige energinivåer.

Bevegelse av elektron gjennom respirasjonskjeden til lavere nivåer, frigjør energi. Denne energien kan brukes i mitokondriene for å syntetisere ATP, i en prosess kjent som oksidativ fosforylering.

Kjemosmotisk kobling

I lang tid var mekanismen for ATP-dannelse i kjeden en gåte, inntil biokjemikeren Peter Mitchell foreslo kjemosmotisk kobling.

I dette fenomenet etableres en protongradient over den indre mitokondrielle membranen. Energien i dette systemet frigjøres og brukes til å syntetisere ATP.

Mengde ATP dannet

Som vi så, dannes ikke ATP direkte i Krebs-syklusen, men i elektrontransportkjeden. For hver to elektroner som går fra NADH til oksygen, skjer syntesen av tre ATP-molekyler. Dette estimatet kan variere noe avhengig av litteraturen som er konsultert.

Tilsvarende, for hver to elektroner som går fra FADH ₂ , dannes to ATP-molekyler.

Egenskaper

Hovedfunksjonen ved cellulær respirasjon er generering av energi i form av ATP for å kunne lede den til funksjonene til cellen.

Både dyr og planter trenger å trekke ut den kjemiske energien som finnes i de organiske molekylene de bruker til mat. Når det gjelder grønnsaker, er disse molekylene sukkerarter som planten selv syntetiserer med bruk av solenergi i den berømte fotosyntetiske prosessen.

Dyr er derimot ikke i stand til å syntetisere sin egen mat. Dermed konsumerer heterotrofer mat i kostholdet - som for eksempel oss. Oksidasjonsprosessen er ansvarlig for å trekke ut energi fra mat.

Vi skal ikke forveksle funksjonene til fotosyntesen med respirasjon. Planter, som dyr, puster også. Begge prosesser er komplementære og opprettholder levende verdens dynamikk.

referanser

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introduksjon til cellebiologi. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Livet på jorden. Pearson utdanning.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologi. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Integrerte zoologiske prinsipper. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckert dyrefysiologi. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Introduksjon til mikrobiologi. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Funksjonell histologi: tekst og atlas i farger. Harcourt.