respirație celulară este un proces care generează energie sub formă de ATP (adenozin trifosfat). Ulterior, această energie este direcționată către alte procese celulare. În timpul acestui fenomen, moleculele sunt supuse oxidării, iar acceptorul final al electronilor este, în majoritatea cazurilor, o moleculă anorganică..
Natura acceptorului final de electroni depinde de tipul de respirație al organismului studiat. La aerobi - cum ar fi Homo sapiens - acceptorul final de electroni este oxigenul. În schimb, pentru respiratoarele anaerobe oxigenul poate fi toxic. În ultimul caz, acceptorul final este o moleculă anorganică, alta decât oxigenul..
Respirația aerobă a fost studiată pe larg de biochimiști și constă din două etape: ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor..
În organismele eucariote, toate mecanismele necesare pentru respirație se află în interiorul mitocondriilor, atât în matricea mitocondrială, cât și în sistemul de membrană al acestui organet..
Mașinile sunt formate din enzime care catalizează reacțiile procesului. Linia procariotă se caracterizează prin absența organelor; din acest motiv, respirația are loc în regiuni specifice ale membranei plasmatice care simulează un mediu foarte asemănător cu cel al mitocondriilor.
Indice articol
În domeniul fiziologiei, termenul „respirație” are două definiții: respirație pulmonară și respirație celulară. Când folosim cuvântul respirație în viața de zi cu zi, ne referim la primul tip.
Respirația pulmonară cuprinde acțiunea respirației în interior și în exterior, acest proces are ca rezultat schimbul de gaze: oxigen și dioxid de carbon. Termenul corect pentru acest fenomen este „ventilație”.
În schimb, respirația celulară are loc - așa cum sugerează și numele său - în interiorul celulelor și este procesul însărcinat cu generarea de energie printr-un lanț de transport al electronilor. Acest ultim proces este cel care va fi discutat în acest articol..
Respirația celulară are loc într-un organet complex numit mitocondrie. Structural, mitocondriile au o lățime de 1,5 micrometri și o lungime de 2 până la 8 micrometri. Acestea se caracterizează prin faptul că au propriul lor material genetic și prin divizarea prin fisiune binară - caracteristici vestigiale ale originii lor endosimbiotice..
Au două membrane, una netedă și una internă cu pliuri care formează crestele. Cu cât mitocondriile sunt mai active, cu atât are mai multe creste.
Interiorul mitocondriei se numește matrice mitocondrială. În acest compartiment se află enzimele, coenzimele, apa și fosfații necesari reacțiilor respiratorii.
Membrana exterioară permite trecerea majorității moleculelor mici. Cu toate acestea, membrana interioară restricționează de fapt trecerea prin transportoare foarte specifice. Permeabilitatea acestei structuri joacă un rol fundamental în producția de ATP.
Enzimele și alte componente necesare respirației celulare se găsesc ancorate în membrane și libere în matricea mitocondrială..
Prin urmare, celulele care necesită o cantitate mai mare de energie se caracterizează prin faptul că au un număr mare de mitocondrii, spre deosebire de celulele a căror cerere de energie este mai mică..
De exemplu, celulele hepatice au în medie 2.500 de mitocondrii, în timp ce o celulă musculară (foarte activă din punct de vedere metabolic) conține un număr mult mai mare, iar mitocondriile de acest tip celular sunt mai mari.
În plus, acestea sunt situate în regiunile specifice în care este necesară energia, de exemplu în jurul flagelului spermei..
În mod logic, organismele procariote trebuie să respire și nu au mitocondrii - nici organite complexe caracteristice eucariotelor. Din acest motiv, procesul respirator are loc în mici invaginații ale membranei plasmatice, analog cu ceea ce se întâmplă în mitocondrii..
Există două tipuri fundamentale de respirație, în funcție de molecula care a acționat ca acceptor final al electronilor. În respirația aerobă, acceptorul este oxigen, în timp ce în anaerob este o moleculă anorganică - deși, în câteva cazuri specifice, acceptorul este o moleculă organică. Vom descrie fiecare în detaliu mai jos:
În organismele de respirație aerobă, acceptorul final de electroni este oxigenul. Etapele care apar sunt împărțite în ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor.
Explicația detaliată a reacțiilor care au loc în aceste căi biochimice vor fi dezvoltate în secțiunea următoare.
Acceptatorul final constă dintr-o altă moleculă decât oxigenul. Cantitatea de ATP generată de respirația anaerobă depinde de mai mulți factori, inclusiv de organismul studiat și de calea utilizată..
Cu toate acestea, producția de energie este întotdeauna mai mare în respirația aerobă, deoarece ciclul Krebs funcționează doar parțial și nu toate moleculele transportoare din lanț participă la respirație.
Din acest motiv, creșterea și dezvoltarea indivizilor anaerobi este semnificativ mai mică decât a celor aerobi..
La unele organisme oxigenul este toxic și se numesc anaerobi stricți. Cel mai cunoscut exemplu este cel al bacteriilor care cauzează tetanosul și botulismul: Clostridium.
În plus, există și alte organisme care pot alterna respirația aerobă și respirația anaerobă, numindu-se anaerobi facultativi. Cu alte cuvinte, ei folosesc oxigenul atunci când li se potrivește și, în absența acestuia, recurg la respirație anaerobă. De exemplu, binecunoscuta bacterie Escherichia coli posedă acest metabolism.
Anumite bacterii pot folosi ionul nitrat (NO3-) ca acceptor final de electroni, cum ar fi genurile de Pseudomonas Da Bacil. Respectivul ion poate fi redus la ion nitrit, oxid azotos sau azot gazos.
În alte cazuri, acceptorul final constă din ionul sulfat (SO4Două-) care dă naștere hidrogenului sulfurat și folosește carbonatul pentru a forma metan. Genul bacteriilor Desulfovibrio este un exemplu al acestui tip de acceptor.
Această recepție a electronilor în moleculele de nitrați și sulfat este crucială în ciclurile biogeochimice ale acestor compuși - azot și sulf..
Glicoliza este o cale anterioară respirației celulare. Începe cu o moleculă de glucoză, iar produsul final este piruvatul, o moleculă cu trei carbon. Glicoliza are loc în citoplasma celulei. Această moleculă trebuie să poată pătrunde în mitocondrie pentru a-și continua degradarea.
Piruvatul se poate difuza prin gradienți de concentrație în organet, prin porii membranei. Destinația finală va fi matricea mitocondriilor.
Înainte de a intra în prima etapă a respirației celulare, molecula de piruvat suferă anumite modificări.
În primul rând, reacționează cu o moleculă numită coenzima A. Fiecare piruvat se clivează în dioxid de carbon și gruparea acetil, care se leagă de coenzima A, dând naștere complexului aceil coenzimei A..
În această reacție, doi electroni și un ion hidrogen sunt transferați la NADP+, producând NADH și este catalizată de complexul enzimatic piruvat dehidrogenază. Reacția necesită o serie de cofactori.
După această modificare, încep cele două etape din respirație: ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor..
Ciclul Krebs este una dintre cele mai importante reacții ciclice din biochimie. Este, de asemenea, cunoscut în literatură sub numele de ciclul acidului citric sau ciclul acidului tricarboxilic (TCA).
Este numit în onoarea descoperitorului său: biochimistul german Hans Krebs. În 1953, Krebs a primit Premiul Nobel pentru această descoperire care a marcat domeniul biochimiei..
Obiectivul ciclului este eliberarea treptată a energiei conținute în acetil coenzima A. Acesta constă dintr-o serie de reacții de oxidare și reducere care transferă energia către diferite molecule, în principal NAD+.
Pentru fiecare două molecule de acetil coenzimă A care intră în ciclu, sunt eliberate patru molecule de dioxid de carbon, sunt generate șase molecule de NADH și două de FADH.Două. CODouă este eliberat în atmosferă ca substanță reziduală din proces. Se generează și GTP.
Deoarece această cale participă atât la procesele anabolice (sinteza moleculelor), cât și la cele catabolice (degradarea moleculelor), se numește „amfibolic”.
Ciclul începe cu fuziunea unei molecule de acetil coenzimă A cu o moleculă de oxaloacetat. Această uniune dă naștere unei molecule cu șase carbon: citratul. Astfel, se eliberează coenzima A. De fapt, este refolosită de multe ori. Dacă există mult ATP în celulă, acest pas este inhibat.
Reacția de mai sus necesită energie și o obține din ruperea legăturii de mare energie dintre gruparea acetil și coenzima A.
Citratul este transformat în cis aconitat și este transformat în izocitrat de enzima aconitază. Următorul pas este conversia izocitratului în alfa-cetoglutarat cu izocitrat deshidrogenat. Această etapă este relevantă deoarece duce la reducerea NADH și eliberează dioxid de carbon..
Alfa ketoglutaratul este transformat în succinil coenzima A de alfa ketoglutarat dehidrogenază, care folosește aceiași cofactori ca piruvatul kinază. NADH este, de asemenea, generat în această etapă și, ca etapă inițială, este inhibat de excesul de ATP..
Următorul produs este succinat. În producția sa, are loc formarea GTP. Sucinatul devine fumarat. Această reacție produce FADH. Fumaratul, la rândul său, devine malat și, în cele din urmă, oxaloacetat.
Lanțul de transport al electronilor își propune să preia electronii din compușii generați în etapele anterioare, cum ar fi NADH și FADHDouă, care se află într-un nivel ridicat de energie și îi conduc la un nivel mai mic de energie.
Această scădere a energiei are loc pas cu pas, adică nu se produce brusc. Constă dintr-o serie de pași în care apar reacții redox.
Componentele principale ale lanțului sunt complexe formate din proteine și enzime cuplate cu citocromi: metaloporfirine de tip hem..
Citocromii sunt destul de asemănători în ceea ce privește structura lor, deși fiecare are o particularitate care îi permite să își îndeplinească funcția specifică în lanț, cântând electroni la diferite niveluri de energie..
Mișcarea electronilor prin lanțul respirator către niveluri inferioare produce eliberarea de energie. Această energie poate fi utilizată în mitocondrii pentru a sintetiza ATP, într-un proces cunoscut sub numele de fosforilare oxidativă..
Multă vreme mecanismul formării ATP în lanț a fost o enigmă, până când biochimistul Peter Mitchell a propus cuplarea chemosmotică.
În acest fenomen, un gradient de protoni este stabilit pe membrana mitocondrială internă. Energia conținută în acest sistem este eliberată și utilizată pentru a sintetiza ATP.
După cum am văzut, ATP nu se formează direct în ciclul Krebs, ci în lanțul de transport al electronilor. Pentru fiecare doi electroni care trec de la NADH la oxigen, are loc sinteza a trei molecule ATP. Această estimare poate varia oarecum în funcție de literatura consultată..
În mod similar, pentru fiecare doi electroni care trec de la FADHDouă, se formează două molecule de ATP.
Funcția principală a respirației celulare este generarea de energie sub formă de ATP pentru a o putea direcționa către funcțiile celulei..
Atât animalele, cât și plantele trebuie să extragă energia chimică conținută în moleculele organice pe care le folosesc pentru hrană. În cazul legumelor, aceste molecule sunt zaharurile pe care planta însăși le sintetizează odată cu utilizarea energiei solare în celebrul proces fotosintetic..
Animalele, pe de altă parte, nu sunt capabile să-și sintetizeze propria hrană. Astfel, heterotrofii consumă alimente în dietă - la fel ca noi, de exemplu. Procesul de oxidare este responsabil pentru extragerea energiei din alimente.
Nu ar trebui să confundăm funcțiile fotosintezei cu cele ale respirației. Plantele, ca și animalele, respiră și ele. Ambele procese sunt complementare și mențin dinamica lumii vii.
Nimeni nu a comentat acest articol încă.