BUNKOVÉ DÝCHANIE: PROCES, TYPY A FUNKCIE - BIOLÓGIE - 2026

Bunkové dýchanie je proces, ktorý generuje energiu na forme ATP (adenosintrifosfátu). Neskôr je táto energia nasmerovaná na ďalšie bunkové procesy. Počas tohto javu molekuly prechádzajú oxidáciou a konečný akceptor elektrónov je vo väčšine prípadov anorganická molekula.

Povaha konečného akceptora elektrónov závisí od typu respirácie študovaného organizmu. V aeróboch - napríklad Homo sapiens - je konečným elektrónovým akceptorom kyslík. Naproti tomu pre anaeróbne respirátory môže byť kyslík toxický. V poslednom prípade je konečným akceptorom iná anorganická molekula ako kyslík.

Zdroj: Darekk2, z Wikimedia Commons

Aeróbne dýchanie bolo intenzívne študované biochemikami a pozostáva z dvoch stupňov: Krebsov cyklus a reťazec prenosu elektrónov.

V eukaryotických organizmoch je všetko potrebné na dýchanie vo vnútri mitochondrií, tak v mitochondriálnej matrici, ako aj v membránovom systéme tejto organely.

Stroj pozostáva z enzýmov, ktoré katalyzujú reakcie procesu. Prokaryotická línia sa vyznačuje neprítomnosťou organel; Z tohto dôvodu sa dýchanie vyskytuje v špecifických oblastiach plazmatickej membrány, ktoré simulujú prostredie veľmi podobné prostrediu mitochondrií.

terminológie

V oblasti fyziológie má pojem „dýchanie“ dve definície: dýchanie pľúc a dýchanie buniek. Keď používame slovo dych v každodennom živote, máme na mysli prvý typ.

Pľúcne dýchanie zahŕňa činnosť vdychovania a vypínania, výsledkom tohto procesu je výmena plynov: kyslík a oxid uhličitý. Správny výraz pre tento jav je „vetranie“.

Naopak, bunkové dýchanie nastáva - ako naznačuje jeho názov - vo vnútri buniek a je to proces, ktorý je zodpovedný za výrobu energie prostredníctvom elektrónového transportného reťazca. Tento posledný proces je proces, o ktorom sa bude diskutovať v tomto článku.

Kde sa vyskytuje bunkové dýchanie?

Miesto dýchania v eukaryotoch

mitochondrie

Bunkové dýchanie sa uskutočňuje v zložitých organelách nazývaných mitochondrie. Štruktúrne sú mitochondrie široké 1,5 mikrónu a dlhé 2 až 8 mikrónov. Vyznačujú sa vlastným genetickým materiálom a delením binárnym štiepením - pozostatkové charakteristiky ich endosymbiotického pôvodu.

Majú dve membrány, hladkú a vnútornú so záhybmi, ktoré tvoria hrebene. Čím aktívnejšia je mitochondria, tým viac hrebeňov má.

Interiér mitochondrií sa nazýva mitochondriálna matica. V tomto oddiele sú enzýmy, koenzýmy, voda a fosfáty potrebné na respiračné reakcie.

Vonkajšia membrána umožňuje priechod väčšiny malých molekúl. Je to však vnútorná membrána, ktorá skutočne obmedzuje priechod veľmi špecifickými transportérmi. Priepustnosť tejto štruktúry zohráva pri výrobe ATP zásadnú úlohu.

Počet mitochondrií

Enzýmy a ďalšie zložky potrebné na dýchanie buniek sa nachádzajú v membránach a sú voľné v mitochondriálnej matrici.

Preto sa bunky, ktoré vyžadujú väčšie množstvo energie, vyznačujú tým, že majú vysoký počet mitochondrií, na rozdiel od buniek, ktorých energetická potreba je nižšia.

Napríklad pečeňové bunky majú v priemere 2 500 mitochondrií, zatiaľ čo svalová bunka (vysoko metabolicky aktívna) obsahuje oveľa vyšší počet a mitochondrie tohto typu buniek sú väčšie.

Okrem toho sa nachádzajú v špecifických oblastiach, kde je potrebná energia, napríklad okolo bičíkov spermie.

Miesto prokaryotického dýchania

Logicky prokaryotické organizmy musia dýchať a nemajú mitochondrie - ani zložité organely charakteristické pre eukaryoty. Z tohto dôvodu prebieha respiračný proces pri malých inváziách plazmatickej membrány, analogicky tomu, ako k nemu dochádza pri mitochondriách.

druhy

Existujú dva základné typy dýchania, v závislosti od molekuly, ktorá pôsobila ako konečný akceptor elektrónov. Pri aeróbnom dýchaní je akceptorom kyslík, zatiaľ čo v anaeróbnom prostredí je to anorganická molekula - hoci v niektorých konkrétnych prípadoch je akceptorom organická molekula. Každý z nich podrobne opíšeme nižšie:

Aeróbne dýchanie

V aeróbnych dýchacích organizmoch je konečným akceptorom elektrónov kyslík. Kroky, ktoré sa vyskytnú, sú rozdelené na Krebsov cyklus a reťazec prenosu elektrónov.

Podrobné vysvetlenie reakcií, ktoré sa vyskytujú v týchto biochemických dráhach, sa rozvinie v nasledujúcej časti.

Aneróbne dýchanie

Konečný akceptor pozostáva z inej molekuly ako kyslíka. Množstvo ATP generované anaeróbnou respiráciou závisí od niekoľkých faktorov, vrátane skúmaného organizmu a použitej cesty.

Produkcia energie je však vždy vyššia pri aeróbnom dýchaní, pretože Krebsov cyklus funguje iba čiastočne a nie všetky transportné molekuly v reťazci sa zúčastňujú dýchania.

Z tohto dôvodu je rast a vývoj anaeróbnych jedincov výrazne nižší ako u aeróbnych jedincov.

Príklady anaeróbnych organizmov

V niektorých organizmoch je kyslík toxický a nazývajú sa prísnymi anaeróbmi. Najznámejším príkladom je baktéria, ktorá spôsobuje tetanus a botulizmus: Clostridium.

Okrem toho existujú aj ďalšie organizmy, ktoré sa môžu striedať medzi aeróbnym a anaeróbnym dýchaním, ktoré sa nazývajú fakultatívne anaeróby. Inými slovami, kyslík používajú, keď sa im to hodí a ak nie, tak sa uchyľujú k anaeróbnemu dýchaniu. Tento metabolizmus má napríklad známa baktéria Escherichia coli.

Niektoré baktérie môžu používať dusičnanový ión (NO ₃ ^- ) ako konečný akceptor elektrónov, ako sú rody Pseudomonas a Bacillus. Uvedený ión sa môže redukovať na dusitanový ión, oxid dusný alebo plynný dusík.

V iných prípadoch, konečný akceptor sa skladá z iónov síranu (SO ₄ ² ), ktorá dáva vzniknúť na sírovodík, a používa uhličitanu, za vzniku metánu. Príkladom tohto typu akceptora je rod Desulfovibrio.

Tento príjem elektrónov v molekulách dusičnanov a síranov je rozhodujúci v biogeochemických cykloch týchto zlúčenín - dusíka a síry.

proces

Glykolýza je cesta pred bunkovým dýchaním. Začína molekulou glukózy a konečným produktom je pyruvát, molekula s tromi atómami uhlíka. Glykolýza prebieha v cytoplazme bunky. Táto molekula musí byť schopná vstúpiť do mitochondrií, aby mohla pokračovať v jej degradácii.

Pyruvát sa môže difundovať cez koncentračné gradienty do organely, cez póry membrány. Konečným cieľom bude matica mitochondrií.

Pred vstupom do prvého kroku bunkovej respirácie molekula pyruvátu podlieha určitým modifikáciám.

Najprv reaguje s molekulou nazývanou koenzým A. Každý pyruvát štiepi na oxid uhličitý a acetylovú skupinu, ktorá sa viaže na koenzým A, čím vzniká komplex aceyl koenzýmu A.

V tejto reakcii sa dva elektróny a vodíkový ión prenesú na NADP ⁺ , čím sa získa NADH a je katalyzovaný komplexom enzýmu pyruvát dehydrogenázy. Reakcia vyžaduje rad kofaktorov.

Po tejto úprave začínajú dve etapy dýchania: Krebsov cyklus a reťazec prenosu elektrónov.

Krebsov cyklus

Krebsov cyklus je jednou z najdôležitejších cyklických reakcií v biochémii. V literatúre je tiež známa ako cyklus kyseliny citrónovej alebo cyklus kyseliny trikarboxylovej (TCA).

Je pomenovaný po svojom objaviteľovi: nemeckom biochemikovi Hansovi Krebsovi. V roku 1953 bola Krebsovi udelená Nobelova cena za tento objav, ktorý označil oblasť biochémie.

Cieľom cyklu je postupné uvoľňovanie energie obsiahnutej v acetyl koenzýme A. Pozostáva zo série oxidačných a redukčných reakcií, ktoré prenášajú energiu na rôzne molekuly, najmä NAD ⁺ .

Za každých dvoch molekúl acetylkoenzýmu A, ktoré vstupujú do cyklu, štyri molekuly oxidu uhličitého sa uvoľní, šesť molekuly NADH a dvaja z FADH ₂ sú generované . CO ₂ sa do atmosféry uvoľňuje ako látka odpadov z procesu. Vytvorí sa aj GTP.

Pretože sa táto cesta zúčastňuje na anabolických (syntéza molekúl) a katabolických (degradácia molekúl), nazýva sa „amfibolická“.

Reakcie v Krebsovom cykle

Cyklus začína fúziou molekuly acetyl koenzýmu A s oxaloacetátovou molekulou. Toto spojenie vedie k vzniku šesťuhlíkovej molekuly: citrátu. Takto sa uvoľňuje koenzým A. V skutočnosti sa opakovane používa. Ak je v bunke príliš veľa ATP, je tento krok inhibovaný.

Vyššie uvedená reakcia vyžaduje energiu a získa ju z prerušenia vysokoenergetickej väzby medzi acetylovou skupinou a koenzýmom A.

Citrát sa prevádza na cis akonitát a enzýmom akonitázou sa premieňa na izocitrát. Ďalším krokom je konverzia izocitrátu na alfa-ketoglutarát dehydrogenovaným izocitrátom. Táto fáza je dôležitá, pretože vedie k zníženiu NADH a uvoľňuje oxid uhličitý.

Alfa ketoglutarát sa premieňa na sukcinyl koenzým A pomocou alfa-ketoglutarát dehydrogenázy, ktorá používa rovnaké kofaktory ako pyruvátkináza. V tomto kroku je tiež generovaný NADH a ako počiatočný krok je inhibovaný nadbytkom ATP.

Ďalším produktom je sukcinát. Pri jeho výrobe dochádza k tvorbe GTP. Sukcinát sa mení na fumarát. Táto reakcia poskytne FADH. Fumarát sa zase stáva malátom a nakoniec oxaloacetátom.

Transportný reťazec elektrónov

Cieľom elektrónový dopravnej reťaz je, aby sa elektróny zo zlúčenín získaných v predchádzajúcich krokoch, ako je NADH a FADH ₂ , ktoré sú na vysokej úrovni energie, a viesť ich na nižšiu úroveň energie.

K tomuto poklesu energie dochádza postupne, to znamená, že sa nevyskytuje náhle. Pozostáva z radu krokov, pri ktorých dochádza k redoxným reakciám.

Hlavnými zložkami reťazca sú komplexy tvorené proteínmi a enzýmami viazanými na cytochrómy: metaloporfyríny hemového typu.

Cytochrómy sú z hľadiska svojej štruktúry veľmi podobné, hoci každý z nich má špecifickosť, ktorá mu umožňuje vykonávať jeho špecifickú funkciu v reťazci, spievanie elektrónov pri rôznych úrovniach energie.

Pohyb elektrónov dýchacím reťazcom na nižšie úrovne vedie k uvoľňovaniu energie. Táto energia sa môže použiť v mitochondriách na syntézu ATP, v procese známom ako oxidačná fosforylácia.

Chemosmotická väzba

Mechanizmus tvorby ATP v reťazci bol dlho záhadou, kým biochemik Peter Mitchell nenavrhol chemosmotickú kopuláciu.

V tomto fenoméne sa vytvorí protónový gradient cez vnútornú mitochondriálnu membránu. Energia obsiahnutá v tomto systéme sa uvoľňuje a používa na syntézu ATP.

Množstvo vytvoreného ATP

Ako sme videli, ATP sa netvorí priamo v Krebsovom cykle, ale v reťazci prenosu elektrónov. Pre každé dva elektróny, ktoré prechádzajú z NADH na kyslík, dochádza k syntéze troch molekúl ATP. Tento odhad sa môže mierne líšiť v závislosti od konzultovanej literatúry.

Podobne, pre každé dva elektróny, ktoré prechádzajú z FADH ₂ , sú vytvorené dva ATP molekuly.

Vlastnosti

Hlavnou funkciou bunkovej respirácie je tvorba energie vo forme ATP, aby bola schopná nasmerovať ju na funkcie bunky.

Zvieratá aj rastliny musia extrahovať chemickú energiu obsiahnutú v organických molekulách, ktoré používajú na výrobu potravín. V prípade zeleniny ide o cukry, ktoré samotná rastlina syntetizuje s využitím slnečnej energie v slávnom fotosyntetickom procese.

Na druhej strane zvieratá nie sú schopné syntetizovať svoje vlastné jedlo. Heterotrofy teda konzumujú jedlo v potrave - napríklad my. Oxidačný proces je zodpovedný za získavanie energie z potravín.

Funkcie fotosyntézy by sme si nemali zamieňať s funkciami dýchania. Rastliny, podobne ako zvieratá, tiež dýchajú. Oba procesy sa vzájomne dopĺňajú a udržiavajú dynamiku živého sveta.

Referencie

1. Alberts, B. a Bray, D. (2006). Úvod do bunkovej biológie. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biológia: Život na Zemi. Pearsonovo vzdelávanie.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biológia. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC a Garrison, C. (2007). Integrované princípy zoológie. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Fyziológia zvierat Eckert. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, a Case, CL (2007). Úvod do mikrobiológie. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., a Wheater, PR (2000). Funkčná histológia: farebný text a atlas. Harcourt.