Cellulair ademhalingsproces, typen en functies

de cellulaire ademhaling het is een proces dat energie opwekt in de vorm van ATP (adenosine trifosfaat). Vervolgens wordt deze energie gericht op andere cellulaire processen. Tijdens dit fenomeen ondergaan de moleculen oxidatie en is de uiteindelijke elektronenacceptor in de meeste gevallen een anorganisch molecuul.

De aard van de uiteindelijke elektronenacceptor hangt af van het type ademhaling van het bestudeerde organisme. In aerobes - zoals Homo sapiens - is de laatste elektronenacceptor zuurstof. Daarentegen kan zuurstof voor mensen met anaërobe ademhaling toxisch zijn. In dit laatste geval is de uiteindelijke acceptor een anorganisch molecuul dat verschilt van zuurstof.

Aërobe ademhaling is uitgebreid bestudeerd door biochemici en bestaat uit twee fasen: de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen.

In eukaryote organismen is alle machinerie die nodig is voor de ademhaling aanwezig in de mitochondriën, zowel in de mitochondriale matrix als in het membraansysteem van deze organel..

De machine bestaat uit enzymen die de reacties van het proces katalyseren. De prokaryote lijn wordt gekenmerkt door de afwezigheid van organellen; Om deze reden vindt ademhaling plaats in specifieke regio's van het plasmamembraan die een omgeving simuleren die erg lijkt op die van de mitochondriën..

index

• 1 Terminologie
• 2 Waar vindt cellulaire ademhaling plaats??
  • 2.1 Locatie van ademhaling in eukaryoten
  • 2.2 Aantal mitochondriën
  • 2.3 Locatie van prokaryote ademhaling
• 3 soorten
  • 3.1 Aerobe ademhaling
  • 3.2 Anerbic-ademhaling
  • 3.3 Voorbeelden van anaerobe organismen
• 4 Proces
  • 4.1 De Krebs-cyclus
  • 4.2 Reacties van de Krebs-cyclus
  • 4.3 De elektronentransportketen
  • 4.4 Chemosmotische koppeling
  • 4.5 Hoeveelheid gevormd ATP
• 5 functies
• 6 Referenties

terminologie

Op het gebied van fysiologie heeft de term "ademhaling" twee definities: pulmonaire ademhaling en cellulaire ademhaling. Wanneer we het woord 'ademhaling' in het dagelijks leven gebruiken, verwijzen we naar het eerste type.

Lung-ademen omvat de actie van inspireren en verlopen, dit proces resulteert in de uitwisseling van gassen: zuurstof en koolstofdioxide. De juiste term voor dit fenomeen is "ventilatie".

Daarentegen vindt cellulaire ademhaling - zoals de naam impliceert - plaats binnen cellen en is het proces verantwoordelijk voor het genereren van energie via een elektronentransportketen. Dit laatste proces is het proces dat in dit artikel wordt besproken.

Waar vindt cellulaire ademhaling plaats??

Locatie van ademhaling in eukaryoten

Cellulaire ademhaling vindt plaats in een complex organel genaamd mitochondriën. Structureel zijn mitochondriën 1,5 micrometer breed en 2 tot 8 lang. Ze worden gekenmerkt door hun eigen genetisch materiaal en door te delen door binaire fissie - rudimentaire kenmerken van hun endosymbiotische oorsprong.

Ze hebben twee membranen, één glad en één inwendig met plooien die de ruggen vormen. Hoe actiever de mitochondriën zijn, hoe meer toppen het heeft.

Het binnenste van de mitochondriën wordt de mitochondriale matrix genoemd. In dit compartiment zijn de enzymen, co-enzymen, water en fosfaten nodig voor respiratoire reacties.

Het buitenste membraan maakt de doorgang van de meeste kleine moleculen mogelijk. Het binnenmembraan is echter degene die de doorgang beperkt door zeer specifieke transporters. De permeabiliteit van deze structuur speelt een fundamentele rol bij de productie van ATP.

Aantal mitochondria

De enzymen en andere componenten die nodig zijn voor cellulaire ademhaling worden verankerd in de membranen gevonden en zijn vrij in de mitochondriale matrix.

Daarom worden cellen die een grotere hoeveelheid energie nodig hebben, gekenmerkt door een hoog aantal mitochondria, in tegenstelling tot cellen waarvan de energiebehoefte lager is.

Levercellen hebben bijvoorbeeld gemiddeld 2.500 mitochondria, terwijl een spiercel (zeer metabolisch actief) een veel groter aantal bevat, en mitochondria van dit celtype groter zijn.

Bovendien bevinden deze zich in specifieke regio's waar energie nodig is, bijvoorbeeld rondom het spermaflagelmal.

Locatie van prokaryote ademhaling

Logisch gezien, prokaryote organismen moeten ademen en deze hebben geen mitochondria - noch complexe organellen die kenmerkend zijn voor eukaryoten. Om deze reden vindt het ademhalingsproces plaats in kleine invaginaties van het plasmamembraan, analoog aan mitochondriën..

type

Er zijn twee basistypen van de ademhaling, afhankelijk van het molecuul dat fungeerde als de laatste acceptor van de elektronen. Bij aërobe ademhaling is de acceptor zuurstof, terwijl bij anaerobe ademhaling het een anorganisch molecuul is - hoewel in sommige zeldzame gevallen de acceptor een organisch molecuul is. Vervolgens zullen we elk in detail beschrijven:

Aërobe ademhaling

In organismen met aerobe ademhaling is de uiteindelijke acceptor van elektronen zuurstof. De stappen die plaatsvinden, zijn onderverdeeld in de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen.

De gedetailleerde verklaring van de reacties die plaatsvinden in deze biochemische paden zal in de volgende sectie worden ontwikkeld.

Anechobe ademhaling

De uiteindelijke acceptor bestaat uit een ander molecuul dan zuurstof. De hoeveelheid ATP gegenereerd door anaërobe ademhaling hangt af van verschillende factoren, waaronder het onderzoeksorganisme en de gebruikte route..

De productie van energie is echter altijd groter bij aerobe ademhaling, omdat de Krebs-cyclus slechts gedeeltelijk werkt en niet alle transportmoleculen in de keten deelnemen aan de ademhaling

Om deze reden is de groei en ontwikkeling van anaerobe personen aanzienlijk lager dan die van aerobics.

Voorbeelden van anaerobe organismen

In sommige organismen is zuurstof giftig en worden strenge anaëroben genoemd. Het bekendste voorbeeld is de bacterie die tetanus en botulisme veroorzaakt: Clostridium.

Daarnaast zijn er andere organismen die kunnen afwisselen tussen aërobe en anaerobe ademhaling, facultatieve anaëroben genoemd worden. Met andere woorden, ze gebruiken zuurstof wanneer het hen uitkomt en bij ontstentenis ervan nemen ze toevlucht tot anaerobe ademhaling. Bijvoorbeeld de bekende bacterie Escherichia coli heeft dit metabolisme.

Bepaalde bacteriën kunnen nitraationen (NO₃^-) als de laatste acceptor van elektronen, zoals de genres van Pseudomonas en bacil. Dit ion kan worden gereduceerd tot het nitrietion, stikstofoxide of stikstofgas.

In andere gevallen bestaat de uiteindelijke acceptor uit het sulfaation (ZO₄^2-) die aanleiding geeft tot waterstofsulfide en die carbonaat gebruikt om methaan te vormen. Het geslacht van bacteriën Desulfovibrio is een voorbeeld van dit type acceptor.

Deze ontvangst van elektronen in nitraat- en sulfaatmoleculen is cruciaal in de biogeochemische cycli van deze verbindingen - stikstof en zwavel.

procédé

Glycolyse is een eerdere route naar cellulaire ademhaling. Het begint met een glucosemolecuul en het eindproduct is pyruvaat, een molecuul met drie koolstofatomen. Glycolyse vindt plaats in het cytoplasma van de cel. Dit molecuul moet de mitochondriën kunnen betreden om de afbraak voort te zetten.

Pyruvaat kan diffunderen door concentratiegradiënten in het organel, door de poriën van het membraan. De eindbestemming is de matrix van de mitochondriën.

Alvorens de eerste stap van cellulaire ademhaling in te gaan, ondergaat het pyruvaatmolecuul bepaalde modificaties.

Ten eerste reageert het met een molecuul dat co-enzym A wordt genoemd. Elk pyruvaat wordt gespleten in koolstofdioxide en in de acetylgroep, die bindt aan co-enzym A, waardoor het acetyl-co-enzym A-complex ontstaat..

In deze reactie worden twee elektronen en één waterstofion overgebracht naar de NADP⁺, resulterend in NADH en wordt gekatalyseerd door het enzymatische complex pyruvaat dehydrogenase. De reactie heeft een aantal co-factoren nodig.

Na deze aanpassing beginnen de twee fasen van de ademhaling: de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen.

De Krebs-cyclus

De Krebs-cyclus is een van de belangrijkste cyclische reacties in de biochemie. Het is ook in de literatuur bekend als de citroenzuurcyclus of tricarbonzuurcyclus (TCA).

Het ontvangt zijn naam ter ere van zijn ontdekker: de Duitse biochemicus Hans Krebs. In 1953 ontving Krebs de Nobelprijs dankzij deze ontdekking die het vakgebied van de biochemie markeerde.

Het doel van de cyclus is de geleidelijke afgifte van de energie in acetyl-co-enzym A. Het bestaat uit een reeks oxidatie- en reductiereacties die energie overdragen naar verschillende moleculen, voornamelijk naar de NAD⁺.

Voor elke twee moleculen van acetyl co-enzym A die de cyclus binnenkomen worden vier koolstofdioxidemoleculen vrijgegeven, zes moleculen van NADH en twee van FADH worden gegenereerd₂. De CO₂ Het komt vrij in de atmosfeer als afvalstof van het proces. GTP wordt ook gegenereerd.

Aangezien deze route deelneemt aan zowel anabole (molecuulsynthese) als katabole (moleculeafbraak) processen, wordt deze "amfibool" genoemd.

Reacties van de Krebs-cyclus

De cyclus begint met de fusie van een molecuul acetyl co-enzym A met een oxaloacetaat molecuul. Deze unie resulteert in een zes-koolstofmolecuul: citraat. Zo komt co-enzym A vrij en wordt het in feite een groot aantal keren opnieuw gebruikt. Als er veel ATP in de cel is, wordt deze stap geremd.

De bovenstaande reactie heeft energie nodig en wordt verkregen uit de afbraak van de hoge energiebinding tussen de acetylgroep en co-enzym A.

Het citraat gaat over naar cis aconitato en gebeurt met isocitrato door het enzym aconitasa. De volgende stap is de omzetting van isocitraat in alfa-ketoglutaraat door gedehydrogeneerd isocitraat. Deze fase is relevant omdat het leidt tot de reductie van NADH en kooldioxide vrijkomt.

Alfa-ketoglutaraat wordt door alfa-ketoglutaraatdehydrogenase, dat dezelfde co-factoren gebruikt als pyruvaatkinase, omgezet in succinyl-co-enzym A. In deze stap wordt ook NADH gegenereerd en, als de eerste stap, wordt het geremd door de overmaat aan ATP.

Het volgende product is succinaat. Bij de productie ervan vindt de vorming van GTP plaats. Het succinaat gaat over in fumaraat. Deze reactie levert FADH op. Het fumaraat wordt op zijn beurt malaat en tenslotte oxaalacetaat.

De elektronentransportketen

De elektronentransportketen heeft tot doel elektronen te nemen uit de verbindingen die zijn gegenereerd in voorgaande stappen, zoals NADH en FADH₂, die op een hoog energieniveau zijn en ze naar een lager energieniveau leiden.

Deze energievermindering vindt stap voor stap plaats, dat wil zeggen, het gebeurt niet abrupt. Het bestaat uit een reeks stappen waarbij oxidatie-reductiereacties optreden.

De belangrijkste componenten van de keten zijn complexen gevormd door eiwitten en enzymen gekoppeld aan cytochromen: metalloporfyrinen van het heemtype.

De cytochromen zijn vrij gelijkaardig in termen van hun structuur, hoewel ze allemaal een bijzonderheid hebben die het mogelijk maakt om zijn specifieke functie binnen de keten uit te voeren, door elektronen op verschillende energieniveaus te zingen..

De verplaatsing van elektronen door de ademhalingsketen naar lagere niveaus, produceert de afgifte van energie. Deze energie kan in de mitochondria worden gebruikt om ATP te synthetiseren, in een proces dat bekend staat als oxidatieve fosforylering.

Chemosmotische koppeling

Het mechanisme van de vorming van ATP in de keten was lange tijd een raadsel, totdat de biochemicus Peter Mitchell een chemosmotische koppeling voorstelde.

Bij dit fenomeen wordt een proton-gradiënt vastgesteld door het binnenste mitochondriale membraan. De energie in dit systeem wordt vrijgegeven en gebruikt om ATP te synthetiseren.

Hoeveelheid ATP gevormd

Zoals we zagen, vormt ATP zich niet direct in de Krebs-cyclus, maar in de elektronentransportketen. Voor elke twee elektronen die van NADH naar zuurstof gaan, vindt de synthese van drie ATP-moleculen plaats. Deze schatting kan enigszins variëren, afhankelijk van de geraadpleegde literatuur.

Op dezelfde manier, voor elke twee elektronen die passeren van de FADH₂, er worden twee moleculen ATP gevormd.

functies

De belangrijkste functie van cellulaire ademhaling is het genereren van energie in de vorm van ATP om het naar de functies van de cel te leiden.

Zowel dieren als planten moeten de chemische energie uit de organische moleculen die ze als voedsel gebruiken, extraheren. In het geval van groenten zijn deze moleculen de suikers die dezelfde plant samen met het gebruik van zonne-energie synthetiseert in het beroemde fotosynthetische proces.

Dieren zijn daarentegen niet in staat om hun eigen voedsel te synthetiseren. Dus, heterotrofen consumeren voedsel in het dieet - zoals wij, bijvoorbeeld. Het oxidatieproces is verantwoordelijk voor het extraheren van energie uit voedsel.

We moeten de functies van fotosynthese niet verwarren met die van de ademhaling. Planten, zoals dieren, ademen ook. Beide processen vullen elkaar aan en behouden de dynamiek van de levende wereld.

referenties

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Inleiding tot de celbiologie. Ed. Panamericana Medical.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B. E. (2003). Biologie: leven op aarde. Pearson-opleiding.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. biologie. Ed. Panamericana Medical.
4. Hickman, C.P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2007). Geïntegreerde principes van zoölogie. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckert dierfysiologie. Macmillan.
6. Tortora, G. J., Funke, B.R., & Case, C.L. (2007). Inleiding tot de microbiologie. Ed. Panamericana Medical.
7. Young, B., Heath, J.W., Lowe, J.S., Stevens, A., & Wheater, P.R. (2000). Functionele histologie: tekst- en kleurenatlas. Harcourt.