CELLULÄR ANDNING: PROCESS, TYPER OCH FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

Den cellandningen är en process som genererar energi i den form av ATP (adenosintrifosfat). Senare riktas denna energi till andra cellulära processer. Under detta fenomen genomgår molekylerna oxidation och den slutliga acceptorn av elektronerna är i de flesta fall en oorganisk molekyl.

Arten av den slutliga elektronacceptorn beror på typen av andning av den studerade organismen. I aerobes - som Homo sapiens - är den slutliga elektronacceptorn syre. Däremot kan syre vara giftigt för anaeroba andningsskydd. I det senare fallet är den slutliga acceptorn en annan oorganisk molekyl än syre.

Källa: Av Darekk2, från Wikimedia Commons

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

I eukaryota organismer är alla maskiner som krävs för att andning ska äga rum inne i mitokondrierna, både i mitokondriell matris och i membransystemet för denna organell.

Maskineriet består av enzymer som katalyserar processens reaktioner. Den prokaryotiska linjen kännetecknas av frånvaron av organeller; Av denna anledning inträffar andning i specifika regioner i plasmamembranet som simulerar en miljö som är mycket lik den mitokondrierna.

Terminologi

Inom fysiologin har termen "andning" två definitioner: lung respiration och cellulär andning. När vi använder ordet andedräkt i vardagen, hänvisar vi till den första typen.

Pulmonell andning innefattar andningen in och ut, denna process resulterar i utbyte av gaser: syre och koldioxid. Den rätta termen för detta fenomen är "ventilation".

Däremot inträffar cellulär andning - som namnet antyder - inuti celler och är den process som ansvarar för att generera energi genom en elektrontransportkedja. Den sista processen är den som kommer att diskuteras i den här artikeln.

Var inträffar cellulär andning?

Plats för andning i eukaryoter

mitokondrier

Cellulär andning äger rum i en komplex organell som kallas mitokondrierna. Strukturellt sett är mitokondrier 1,5 mikron breda och 2 till 8 mikron långa. De kännetecknas av att ha sitt eget genetiska material och genom att dela med binär fission - vestigiala egenskaper hos deras endosymbiotiska ursprung.

De har två membran, en slät och en inre med veck som bildar åsarna. Ju mer aktiv mitokondrierna är, desto mer åsar har den.

Mitokondrionens inre kallas mitokondrial matris. I detta fack finns enzymer, koenzym, vatten och fosfater som är nödvändiga för andningsreaktioner.

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

Antal mitokondrier

Enzymerna och andra komponenter som är nödvändiga för cellulär andning återfinns förankrade i membranen och fria i mitokondrial matris.

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

Till exempel har leverceller i genomsnitt 2500 mitokondrier, medan en muskelcell (mycket metaboliskt aktiv) innehåller ett mycket högre antal, och mitokondrierna av denna celltyp är större.

Dessutom är dessa belägna i specifika regioner där energi krävs, till exempel kring spermas flagellum.

Plats för prokaryot andning

Logiskt sett behöver prokaryota organismer andas och de har inte mitokondrier - inte heller komplexa organeller som är karakteristiska för eukaryoter. Av denna anledning sker andningsförfarandet i små invaginationer av plasmamembranet, analogt med hur det inträffar i mitokondrier.

typer

Det finns två grundläggande typer av andning, beroende på molekylen som fungerade som den slutliga acceptorn för elektronerna. Vid aerob andning är acceptorn syre, medan den i anaerob är en oorganisk molekyl - även om acceptorn i några specifika fall är en organisk molekyl. Vi kommer att beskriva var och en i detalj nedan:

Aerob andning

I aeroba andningsorganismer är den slutliga acceptorn för elektroner syre. Stegen som inträffar är indelade i Krebs-cykeln och elektrontransportkedjan.

Den detaljerade förklaringen av reaktionerna som äger rum i dessa biokemiska vägar kommer att utvecklas i nästa avsnitt.

Anerob andning

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

Energiproduktionen är emellertid alltid högre i aerob andning, eftersom Krebs-cykeln bara fungerar delvis och inte alla transportermolekyler i kedjan deltar i andning.

Av denna anledning är tillväxten och utvecklingen av anaeroba individer betydligt mindre än de aeroba.

Exempel på anaeroba organismer

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

Dessutom finns det andra organismer som kan växla mellan aerob och anaerob andning, som kallas fakultativa anaerober. Med andra ord, de använder syre när det passar dem och i avsaknad av det tar de anaerob andning. Till exempel äger den välkända bakterien Escherichia coli denna ämnesomsättning.

Vissa bakterier kan använda nitratjonen (NO ₃ ^- ) som den slutliga elektronacceptorn, till exempel släkten Pseudomonas och Bacillus. Nämnda jon kan reduceras till nitritjon, kväveoxid eller kvävgas.

I andra fall, den slutliga acceptom består av sulfatjonen (SO ₄ ^2- ) som ger upphov till vätesulfid och använder karbonatet till formen metan. Desulfovibrio-släktet med bakterier är ett exempel på denna typ av acceptor.

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

Bearbeta

Glykolys är en väg före 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 mitokondrierna för att fortsätta sin nedbrytning.

Pyruvat kan diffundera genom koncentrationsgradienter i organellen, genom membranets porer. Den slutliga destinationen är matrisen för mitokondrierna.

Innan pyruvatmolekylen går in i det första steget i cellulär respiration genomgår vissa modifieringar.

Först reagerar den med en molekyl som kallas koenzym A. Varje pyruvat klyver i koldioxid och acetylgruppen, som binder till koenzym A, vilket ger upphov till aceylkoenzym A-komplexet.

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

Efter denna modifiering börjar de två stegen 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 citronsyracykel eller trikarboxylsyracykel (TCA).

Den är uppkallad efter upptäckaren: den tyska biokemisten Hans Krebs. 1953 tilldelades Krebs Nobelpriset för denna upptäckt som markerade området för biokemi.

Syftet med cykeln är att gradvis frigöra energin i acetylkoenzym A. Den består av en serie oxidations- och reduktionsreaktioner som överför energi till olika molekyler, huvudsakligen NAD ⁺ .

För varje två acetylkoenzym A-molekyler som kommer in i cykeln frigörs fyra molekyler koldioxid, sex molekyler av NADH och två av FADH ₂ . CO ₂ släpps ut i atmosfären som avfallsämne från processen. GTP genereras också.

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

Krebs cykelreaktioner

Cykeln börjar med fusionen av en acetylkoenzym A-molekyl med en oxaloacetatmolekyl. Denna sammanslutning ger upphov till en molekyl med sex kol: citrat. Således frisätts koenzym A. Faktiskt återanvänds det många gånger. Om det finns för mycket ATP i cellen hämmas detta steg.

Ovanstående reaktion kräver energi och får den från att bryta den högenergibindningen mellan acetylgruppen och koenzym A.

Citrat omvandlas till cis-aconitate och omvandlas till isocitrat med enzymet aconitas. Nästa steg är omvandlingen av isocitrat till alfa-ketoglutarat med dehydrogenerat isocitrat. Detta steg är relevant eftersom det leder till minskning av NADH och frigör koldioxid.

Alfaketoglutarat omvandlas till succinylkoenzym A av alfa-ketoglutarat-dehydrogenas, som använder samma kofaktorer som pyruvat-kinas. NADH genereras också i detta steg och som det initiala steget hämmas av överskott av ATP.

Nästa produkt är succinat. I sin produktion sker bildandet av GTP. Succinat förändras till fumarat. Denna reaktion ger FADH. Fumaratet blir i sin tur malat och slutligen oxaloacetat.

Elektrontransportkedjan

Syftet med elektrontransportkedjan är att ta elektronerna från de föreningar som genererats i tidigare steg, såsom NADH och FADH ₂ , som har en hög energinivå, och leda dem till en lägre energinivå.

Denna minskning av energi sker steg för steg, det vill säga att den inte sker plötsligt. Det består av en serie steg där redoxreaktioner inträffar.

Huvudkomponenterna i kedjan är komplex som bildas av proteiner och enzymer kopplade till cytokromer: metalloporfyriner av heme-typ.

Cytokromer 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 och sjunger elektroner på olika energinivåer.

Elektronernas rörelse genom andningskedjan till lägre nivåer ger frisläppande av energi. Denna energi kan användas i mitokondrierna för att syntetisera ATP, i en process som kallas oxidativ fosforylering.

Kemosmotisk koppling

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

I detta fenomen upprättas en protongradient över det inre mitokondriella membranet. Energin i detta system frigörs och används för att syntetisera ATP.

Mängd ATP bildas

Som vi såg bildas ATP inte direkt i Krebs-cykeln utan i elektrontransportkedjan. För varenda två elektroner som går från NADH till syre sker syntesen av tre ATP-molekyler. Denna uppskattning kan variera något beroende på den litteratur som konsulterats.

På samma sätt bildas två ATP-molekyler för varje två elektroner som passerar från FADH ₂ .

Funktioner

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

Både djur och växter behöver utvinna den kemiska energin i de organiska molekylerna som de använder för mat. När det gäller grönsaker är dessa molekyler socker som samma växt 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 vi till exempel. Oxidationsprocessen ansvarar för att utvinna energi från livsmedel.

Vi bör inte förväxla fotosyntesfunktionerna med andningsfunktionerna. Växter, som djur, andas också. Båda processerna är komplementära och upprätthåller den levande världens dynamik.

referenser

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introduktion till cellbiologi. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Life on Earth. Pearson utbildning.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologi. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Integrerade zoologiska principer. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckert djurfysiologi. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Introduktion till mikrobiologi. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Funktionell histologi: text och atlas i färg. Harcourt.