AERÓBNE DÝCHANIE: VLASTNOSTI, ŠTÁDIÁ A ORGANIZMY - BIOLÓGIE - 2026

Aeróbne respirácia alebo aeróbna je biologický proces, ktorý zahŕňa získavanie energie z organických molekúl - najmä glukózu - radom oxidačných reakciách, kedy konečný akceptor elektrónu je atóm kyslíka.

Tento proces je prítomný v drvivej väčšine organických bytostí, konkrétne v eukaryotoch. Všetky zvieratá, rastliny a huby dýchajú aeróbne. Niektoré baktérie navyše vykazujú aeróbny metabolizmus.

V eukaryotoch je zariadenie na bunkové dýchanie umiestnené v mitochondriách.
Zdroj: Národný inštitút pre výskum ľudského genómu (NHGRI) z Bethesda, MD, USA, prostredníctvom Wikimedia Commons

Všeobecne je proces získavania energie z molekuly glukózy rozdelený na glykolýzu (tento krok je bežný v aeróbnych aj anaeróbnych dráhach), Krebsov cyklus a reťazec prenosu elektrónov.

Koncept aeróbneho dýchania je v protiklade s anaeróbnym dýchaním. V poslednom prípade je konečným akceptorom elektrónov ďalšia anorganická látka odlišná od kyslíka. Je to typické pre niektoré prokaryoty.

Čo je to kyslík?

Pred diskusiou o procese aeróbneho dýchania je potrebné poznať určité aspekty molekuly kyslíka.

Je to chemický prvok zastúpený v periodickej tabuľke s písmenom O a atómovým číslom 8. Za štandardných podmienok teploty a tlaku má kyslík tendenciu viazať sa v pároch, čím vzniká molekula dioxygénu.

Tento plyn, ktorý sa skladá z dvoch atómov kyslíka, nemá farba, vôňa alebo chuť, a je reprezentovaný všeobecným vzorcom O ₂ . V atmosfére je významnou súčasťou a je potrebné udržiavať väčšinu životných foriem na Zemi.

Vďaka plynnej povahe kyslíka je molekula schopná voľne prechádzať bunkovými membránami - vonkajšou membránou, ktorá oddeľuje bunku od extracelulárneho prostredia, a membránami subcelulárnych kompartmentov vrátane mitochondrií.

Dýchacie charakteristiky

Bunky používajú molekuly, ktoré prijímame prostredníctvom našej stravy, ako druh dýchacieho „paliva“.

Bunková respirácia je proces vytvárajúci energiu vo forme molekúl ATP, kde molekuly, ktoré sa majú degradovať, podliehajú oxidácii a konečný akceptor elektrónov je vo väčšine prípadov anorganická molekula.

Základnou črtou, ktorá umožňuje uskutočnenie dýchacích procesov, je prítomnosť elektrónového transportného reťazca. Pri aeróbnom dýchaní je konečným akceptorom elektrónov molekula kyslíka.

Za normálnych podmienok sú týmito „palivami“ uhľohydráty alebo uhľohydráty a tuky alebo tuky. Keď telo pre nedostatok potravy prechádza do neistých podmienok, uchyľuje sa k používaniu bielkovín, aby sa pokúsilo uspokojiť svoje energetické požiadavky.

Slovo dýchanie je súčasťou nášho slovníka v každodennom živote. Akt nasávania vzduchu do našich pľúc, v nepretržitých cykloch výdychov a inhalácií, nazývame dýchanie.

Vo formálnom kontexte biologických vied je však takáto činnosť označovaná termínom vetranie. Pojem dýchanie sa teda používa na označenie procesov, ktoré prebiehajú na bunkovej úrovni.

Procesy (etapy)

Fázy aeróbneho dýchania zahŕňajú potrebné kroky na získanie energie z organických molekúl - v tomto prípade opíšeme prípad molekuly glukózy ako respiračné palivo - kým nedosiahne kyslíkový akceptor.

Táto komplexná metabolická dráha je rozdelená na glykolýzu, Krebsov cyklus a reťazec transportu elektrónov:

glykolýza

Obrázok 1: glykolýza verzus glukoneogenéza. Zahrnuté reakcie a enzýmy.

Prvým krokom v rozklade monoméru glukózy je glykolýza, tiež nazývaná glykolýza. Tento krok nevyžaduje kyslík priamo a je prítomný prakticky vo všetkých živých veciach.

Cieľom tejto metabolickej cesty je štiepenie glukózy na dve molekuly kyseliny pyruvovej, získanie dvoch molekúl čistej energie (ATP) a zníženie dvoch molekúl NAD ⁺ .

V prítomnosti kyslíka môže cesta pokračovať do Krebsovho cyklu a reťazca prenosu elektrónov. V prípade neprítomnosti kyslíka by molekuly nasledovali fermentačnú cestu. Inými slovami, glykolýza je bežná metabolická cesta pre aeróbne a anaeróbne dýchanie.

Pred Krebsovým cyklom musí dôjsť k oxidatívnej dekarboxylácii kyseliny pyrohroznovej. Tento krok je sprostredkovaný veľmi dôležitým enzýmovým komplexom nazývaným pyruvátdehydrogenáza, ktorý vykonáva vyššie uvedenú reakciu.

Pyruvát sa tak stáva acetylovým zvyškom, ktorý sa následne zachytáva koenzýmom A, ktorý je zodpovedný za jeho transport do Krebsovho cyklu.

Krebsov cyklus

Krebsov cyklus, známy tiež ako cyklus kyseliny citrónovej alebo cyklus kyseliny trikarboxylovej, pozostáva zo série biochemických reakcií katalyzovaných špecifickými enzýmami, ktoré sa snažia postupne uvoľňovať chemickú energiu uloženú v acetyl koenzýme A.

Je to cesta, ktorá úplne oxiduje molekulu pyruvátu a vyskytuje sa v matrici mitochondrií.

Tento cyklus je založený na rade oxidačných a redukčných reakcií, ktoré prenášajú potenciálnu energiu vo forme elektrónov na prvky, ktoré ich akceptujú, najmä na molekulu NAD ⁺ .

Zhrnutie Krebsovho cyklu

Každá molekula kyseliny pyrohroznovej sa rozkladá na oxid uhličitý a molekulu s dvoma atómami uhlíka, známe ako acetylová skupina. Spojením s koenzýmom A (spomenutým v predchádzajúcej časti) sa vytvorí komplex acetyl koenzýmu A.

Dva uhlíky kyseliny pyrohroznovej vstupujú do cyklu, kondenzujú s oxaloacetátom a vytvárajú citrátovú molekulu so šiestimi atómami uhlíka. Vyskytujú sa teda oxidačné krokové reakcie. Soli kyseliny citrónovej sa vráti na oxalacetát s teoretickou výrobou 2 mólami oxidu uhličitého, 3 mólami NADH, 1 FADH _2, a 1 mol GTP.

Pretože pri glykolýze sa tvoria dve molekuly pyruvátu, jedna molekula glukózy zahŕňa dve otáčky Krebsovho cyklu.

Elektrónový dopravný reťazec

Transportný reťazec elektrónov pozostáva zo sekvencie proteínov, ktoré sú schopné uskutočňovať oxidačné a redukčné reakcie.

Prechod elektrónov cez tieto proteínové komplexy vedie k postupnému uvoľňovaniu energie, ktorá je následne použitá pri tvorbe ATP chemoosmotikami. Dôležité je, že posledná reťazová reakcia je ireverzibilného typu.

V eukaryotických organizmoch, ktoré majú subcelulárne kompartmenty, sú prvky transportného reťazca ukotvené k membráne mitochondrií. V prokaryotoch, ktorým chýbajú tieto kompartmenty, sú prvky reťazca umiestnené v plazmatickej membráne bunky.

Reakcie tohto reťazca vedú k tvorbe ATP prostredníctvom energie získanej vytesňovaním vodíka cez transportéry, až kým nedosiahne konečný akceptor: kyslík, reakcia, ktorá produkuje vodu.

Triedy nosných molekúl

Reťaz sa skladá z troch variantov dopravníkov. Prvou triedou sú flavoproteíny, ktoré sa vyznačujú prítomnosťou flavínu. Tento typ transportéra môže alternatívne uskutočňovať dva typy reakcií, redukciu a oxidáciu.

Druhý typ je tvorený cytochrómami. Tieto proteíny majú hemovú skupinu (ako je hemoglobín), ktorá môže vykazovať rôzne oxidačné stavy.

Poslednou triedou transportéra je ubichinón, tiež známy ako koenzým Q. Tieto molekuly nie sú prírodne proteínové.

Organizmy s aeróbnym dýchaním

Väčšina živých organizmov má dýchanie aeróbneho typu. Je typický pre eukaryotické organizmy (bytosti so skutočným jadrom v ich bunkách, ohraničené membránou). Všetky zvieratá, rastliny a huby dýchajú aeróbne.

Zvieratá a huby sú heterotrofné organizmy, čo znamená, že „palivo“, ktoré sa bude používať v metabolickej ceste dýchania, sa musí v potrave aktívne konzumovať. Na rozdiel od rastlín, ktoré majú schopnosť produkovať vlastné jedlo prostredníctvom fotosyntézy.

Niektoré rody prokaryotov tiež potrebujú kyslík na svoje dýchanie. Konkrétne existujú prísne aeróbne baktérie - to znamená, že rastú iba v prostrediach bohatých na kyslík, napríklad v pseudomonách.

Iné rody baktérií majú schopnosť zmeniť svoj metabolizmus z aeróbnych na anaeróbne na základe podmienok prostredia, ako sú napríklad salmonely. V prokaryotoch je dôležitým znakom ich klasifikácie aeróbny alebo anaeróbny charakter.

Rozdiely od anaeróbneho dýchania

Opačným postupom ako pri aeróbnom dýchaní je anaeróbny režim. Najviditeľnejším rozdielom medzi nimi je použitie kyslíka ako konečného elektrónového akceptora. Anaeróbna respirácia využíva ako akceptor ďalšie anorganické molekuly.

Ďalej, pri anaeróbnom dýchaní je konečným produktom reakcií molekula, ktorá má stále potenciál oxidovať. Napríklad kyselina mliečna sa vytvára vo svaloch počas fermentácie. Naproti tomu konečnými produktmi aeróbneho dýchania sú oxid uhličitý a voda.

Existujú aj rozdiely z hľadiska energie. V anaeróbnej dráhe sa vyrábajú iba dve molekuly ATP (čo zodpovedá glykolytickej ceste), zatiaľ čo pri aeróbnom dýchaní je konečný produkt všeobecne asi 38 molekúl ATP - čo je významný rozdiel.

Referencie

1. Campbell, MK, a Farrell, SO (2011). Biochémie. Šieste vydanie. Thomson. Brooks / Cole.
2. Curtis, H. (2006). Pozvánka na biológiu. Šieste vydanie. Buenos Aires: Pan-American Medical.
3. Estrada, E & Aranzábal, M. (2002). Histológia stavovcov. Národná autonómna univerzita v Mexiku. Page 173.
4. Hall, J. (2011). Zmluva o lekárskej fyziológii. New York: Elsevier Health Sciences.
5. Harisha, S. (2005). Úvod do praktickej biotechnológie. New Delhi: Firewall Media.
6. Hill, R. (2006). Fyziológia zvierat. Madrid: Pan-American Medical.
7. Iglesias, B., Martín, M. & Prieto, J. (2007). Základy fyziológie. Madrid: Tebar.
8. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Biochémia: text a atlas. Panamerican Medical Ed.
9. Vasudevan, D. & Sreekumari S. (2012). Biochemický text pre študentov medicíny. Šieste vydanie. Mexiko: JP Medical Ltd.