CELIČNO DIHANJE: POSTOPEK, VRSTE IN FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2026

Celičnega dihanja je proces, ki ustvarja energijo v obliki ATP (adenozin trifosfat). Kasneje se ta energija usmeri v druge celične procese. Med tem pojavom se molekule podvržejo oksidaciji, končni sprejemnik elektronov pa je v večini primerov anorganska molekula.

Narava končnega sprejemnika elektronov je odvisna od vrste dihanja preučenega organizma. V aerobih - kot Homo sapiens - je končni sprejemnik elektronov kisik. Nasprotno pa je za anaerobne respiratorje kisik lahko strupen. V zadnjem primeru je končni sprejemnik anorganska molekula, ki ni kisik.

Vir: avtor Darekk2, iz Wikimedia Commons

Biokemičarji so aerobno dihanje podrobno preučili in je sestavljen iz dveh stopenj: Krebsov cikel in veriga prenosa elektronov.

V evkariontskih organizmih je vsa oprema, ki je potrebna za dihanje, znotraj mitohondrijev, tako v mitohondrijskem matriksu kot v membranskem sistemu tega organele.

Stroj je sestavljen iz encimov, ki katalizirajo reakcije postopka. Za prokariotsko vrsto je značilna odsotnost organelov; Zaradi tega se dihanje pojavlja v določenih predelih plazemske membrane, ki simulirajo okolje, ki je zelo podobno tistemu mitohondrijev.

Terminologija

Na področju fiziologije ima izraz "dihanje" dve opredelitvi: pljučno dihanje in celično dihanje. Ko v vsakdanjem življenju uporabljamo besedo dih, navajamo na prvo vrsto.

Pljučno dihanje vključuje delovanje vdiha in izdiha, rezultat tega procesa je izmenjava plinov: kisika in ogljikovega dioksida. Pravilen izraz za ta pojav je "prezračevanje".

V nasprotju s tem pride do celičnega dihanja - kot pove že njegovo ime - znotraj celic in je proces, ki je odgovoren za pridobivanje energije skozi elektronsko transportno verigo. Ta zadnji postopek je tisti, ki bo obravnavan v tem članku.

Kje pride do celičnega dihanja?

Lokacija dihanja v evkariontih

Mitohondrije

Celično dihanje poteka v zapleteni organeli, imenovani mitohondriji. Strukturno so mitohondriji široki 1,5 mikrona in dolgi od 2 do 8 mikronov. Zanje je značilno, da imajo lastni genetski material in z deljenjem z binarno cepitvijo - vestigialne značilnosti njihovega endosimbiotskega izvora.

Imajo dve membrani, gladko in notranjo s pregibi, ki tvorijo grebene. Bolj aktivni so mitohondriji, več grebenov ima.

Notranjost mitohondrija se imenuje mitohondrijska matrica. V tem oddelku so encimi, koencimi, voda in fosfati, potrebni za dihalne reakcije.

Zunanja membrana omogoča prehod večine majhnih molekul. Toda notranja membrana dejansko omejuje prehod skozi zelo specifične transporterje. Prepustnost te strukture ima temeljno vlogo pri proizvodnji ATP.

Število mitohondrijev

Encimi in druge komponente, potrebne za celično dihanje, se nahajajo zasidrane v membranah in brez mitohondrijskega matriksa.

Zato je za celice, ki potrebujejo večjo količino energije, značilno, da imajo mitohondrije z velikim številom, v nasprotju s celicami, katerih energijska potreba je manjša.

Na primer, jetrne celice imajo v povprečju 2500 mitohondrijev, medtem ko mišična celica (zelo presnovno aktivna) vsebuje veliko večje število, mitohondrije te vrste celic pa večje.

Poleg tega se nahajajo v določenih regijah, kjer je potrebna energija, na primer v okolici flagellum sperme.

Lokacija prokariotskega dihanja

Logično je, da prokariotski organizmi morajo dihati in nimajo mitohondrij - niti zapletenih organelov, značilnih za evkariote. Zaradi tega se dihalni proces odvija v majhnih invagacijah plazemske membrane, analogno načinu, kako se pojavlja v mitohondrijih.

Vrste

Obstajata dve temeljni vrsti dihanja, odvisno od molekule, ki je delovala kot končni sprejemnik elektronov. Pri aerobnem dihanju je akceptor kisik, v anaerobnem pa anorganska molekula - čeprav je v nekaj specifičnih primerih akceptor organska molekula. Vsako bomo podrobneje opisali v nadaljevanju:

Aerobno dihanje

V aerobnih dihalnih organizmih je končni sprejemnik elektronov kisik. Koraki, ki se zgodijo, so razdeljeni na Krebsov cikel in elektronsko transportno verigo.

Podrobna razlaga reakcij, ki se odvijajo na teh biokemijskih poteh, bo razvita v naslednjem razdelku.

Anerobno dihanje

Končni sprejemnik je sestavljen iz molekule, ki ni kisik. Količina ATP, ki nastane z anaerobnim dihanjem, je odvisna od več dejavnikov, vključno s preiskovanim organizmom in uporabljeno potjo.

Vendar pa je pri aerobnem dihanju proizvodnja energije vedno večja, saj Krebsov cikel deluje le delno in pri dihanju ne sodelujejo vse transporterjeve molekule v verigi.

Zaradi tega je rast in razvoj anaerobnih posameznikov bistveno manj kot aerobnih.

Primeri anaerobnih organizmov

V nekaterih organizmih je kisik strupen in jih imenujemo strogi anaerobi. Najbolj znan primer je bakterija, ki povzroča tetanus in botulizem: Clostridium.

Poleg tega obstajajo še drugi organizmi, ki se lahko med aerobnim in anaerobnim dihanjem izmenično imenujejo fakultativni anaerobi. Z drugimi besedami, uporabljajo kisik, ko jim ustreza, in če ga ni, se zatečejo k anaerobnemu dihanju. Ta metabolizem ima na primer znana bakterija Escherichia coli.

Nekatere bakterije lahko kot končni sprejemnik elektronov uporabljajo nitratni ion (NO ₃ ^- ), na primer roda Pseudomonas in Bacillus. Omenjeni ion se lahko zmanjša na nitritni ion, dušikov oksid ali dušikov plin.

V drugih primerih je končni akceptor sestavljen iz sulfatnega iona (SO ₄ ^2- ), ki povzroči vodikov sulfid in karbonat uporablja za tvorbo metana. Rod bakterij Desulfovibrio je primer take vrste akceptorjev.

Ta sprejem elektronov v molekulah nitrata in sulfata je ključnega pomena v biogeokemičnih ciklih teh spojin - dušika in žvepla.

Proces

Glikoliza je pot pred celičnim dihanjem. Začne se z molekulo glukoze, končni produkt pa je piruvat, tri ogljikova molekula. Glikoliza poteka v citoplazmi celice. Ta molekula mora biti sposobna vstopiti v mitohondrije, da nadaljuje z njeno razgradnjo.

Piruvat se lahko razprši s koncentracijskimi gradienti v organelo, skozi pore membrane. Končni cilj bo matrica mitohondrijev.

Pred vstopom v prvi korak celičnega dihanja se molekula piruvata podvrže določenim spremembam.

Prvič, reagira z molekulo, imenovano koencim A. Vsak piruvat se cepi v ogljikov dioksid in acetilno skupino, ki se veže na koencim A in povzroči kompleks acetilni koencim A.

V tej reakciji se dva elektrona in vodikov ion preneseta v NADP ⁺ , kar prinese NADH in katalizira ga encimski kompleks piruvat dehidrogenaze. Za reakcijo je potreben niz kofaktorjev.

Po tej modifikaciji se začneta dve fazi znotraj dihanja: Krebsov cikel in elektronska transportna veriga.

Krebsov cikel

Krebsov cikel je ena najpomembnejših cikličnih reakcij v biokemiji. V literaturi je znan tudi kot cikel citronske kisline ali cikel trikarboksilne kisline (TCA).

Poimenovana je po svojem odkritju: nemškemu biokemičarju Hansu Krebsu. Leta 1953 je Krebs dobil Nobelovo nagrado za to odkritje, ki je zaznamovalo področje biokemije.

Cilj cikla je postopno sproščanje energije, ki jo vsebuje acetil koencim A. Sestavljen je iz niza reakcij oksidacije in redukcije, ki energijo prenašajo v različne molekule, predvsem NAD ⁺ .

Za vsaka dva molekula acetilnega koencima A, ki vstopata v cikel, se sprostijo štiri molekule ogljikovega dioksida, šest molekul NADH in dve FADH ₂ . CO ₂ se sprošča v ozračje kot odpadna snov iz procesa. Ustvari se tudi GTP.

Ker ta pot sodeluje tako v anaboličnih procesih (sinteza molekul) kot v kataboličnih procesih (razgradnja molekule), se imenuje "amfibolična".

Krebsove ciklične reakcije

Cikel se začne z zlitjem molekule acetilnega koencima A z molekulo oksaloacetata. Ta zveza povzroči šest-ogljikovo molekulo: citrat. Tako se sprošča koencim A. V resnici ga večkrat uporabimo. Če je v celici preveč ATP-ja, je ta korak zaviran.

Zgornja reakcija zahteva energijo in jo pridobiva iz pretrganja visokoenergijske vezi med acetilno skupino in koencimom A.

Citrat se pretvori v cis akonitat in z encimom akonitazo pretvori v izocitrat. Naslednji korak je pretvorba izocitrata v alfa ketoglutarat z dehidriranim izocitratom. Ta stopnja je pomembna, ker vodi do zmanjšanja NADH in sprošča ogljikov dioksid.

Alfa ketoglutarat se pretvori v sukcinil koencim A z alfa ketoglutarat dehidrogenazo, ki uporablja iste kofaktorje kot piruvat kinaza. V tem koraku se ustvari tudi NADH in ga kot začetni korak zavira presežek ATP.

Naslednji izdelek je sukcinat. Pri njegovi proizvodnji pride do tvorbe GTP. Sokcinat se spremeni v fumarat. Ta reakcija prinese FADH. Fumarat postane malat in na koncu oksaloacetat.

Transportna veriga elektronov

Cilj verige prenosa elektronov je odvzeti elektrone iz spojin, ustvarjenih v prejšnjih korakih, kot sta NADH in FADH ₂ , ki so na visoki energijski ravni, in jih pripeljati na nižjo energijsko raven.

To znižanje energije poteka korak za korakom, se pravi, da ne nastopi naglo. Sestavljen je iz niza korakov, v katerih se pojavijo redoks reakcije.

Glavne sestavine verige so kompleksi, ki jih tvorijo beljakovine in encimi, povezani s citokromi: metaloporfirini tipa heme.

Citohromi so po svoji strukturi precej podobni, čeprav ima vsak svoj posebnost, ki mu omogoča, da opravlja svojo specifično funkcijo znotraj verige, poje elektrone na različnih energijskih nivojih.

Gibanje elektronov skozi dihalno verigo na nižje ravni povzroči sproščanje energije. To energijo lahko v mitohondrijih uporabimo za sintezo ATP-ja v postopku, ki ga poznamo kot oksidativno fosforilacijo.

Kemozmotična sklopka

Dolgo časa je bil mehanizem tvorbe ATP v verigi enigma, dokler biokemik Peter Mitchell ni predlagal hemozmotičnega spajanja.

Pri tem pojavu se vzpostavi protonski gradient čez notranjo mitohondrijsko membrano. Energija, vsebovana v tem sistemu, se sprosti in uporabi za sintezo ATP.

Obseg ATP

Kot smo videli, ATP ne nastaja neposredno v Krebsovem ciklu, temveč v verigi prenosa elektronov. Na vsaka dva elektrona, ki prehajata iz NADH v kisik, pride do sinteze treh molekul ATP. Ta ocena se lahko nekoliko razlikuje, odvisno od literature.

Podobno se na vsaka dva elektrona, ki prehajata iz FADH ₂ , tvorita dve molekuli ATP.

Lastnosti

Glavna funkcija celičnega dihanja je ustvarjanje energije v obliki ATP, da jo lahko usmerimo v funkcije celice.

Tako živali kot rastline morajo izločiti kemično energijo, ki jo vsebujejo organske molekule, ki jih uporabljajo za hrano. V primeru zelenjave so te molekule sladkorji, ki jih rastlina sama sintetizira z uporabo sončne energije v znamenitem fotosintetskem postopku.

Živali po drugi strani niso sposobne sintetizirati lastne hrane. Tako heterotrofi uživajo hrano v prehrani - tako kot na primer mi. Postopek oksidacije je zadolžen za pridobivanje energije iz hrane.

Funkcij fotosinteze ne smemo zamenjati s funkcijami dihanja. Rastline, tako kot živali, tudi dihajo. Oba procesa se dopolnjujeta in ohranjata dinamiko živega sveta.

Reference

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Uvod v celično biologijo. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologija: Življenje na Zemlji. Pearsonova vzgoja.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologija. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Integrirana načela zoologije. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckertova fiziologija živali. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Uvod v mikrobiologijo. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Funkcionalna histologija: barvno besedilo in atlas. Harcourt.