Proses pernafasan, jenis dan fungsi selular



The pernafasan sel ia adalah satu proses yang menjana tenaga dalam bentuk ATP (adenosine triphosphate). Selanjutnya, tenaga ini diarahkan ke proses selular yang lain. Semasa fenomena ini, molekul yang menjalani pengoksidaan dan penerima elektron akhir adalah, dalam kebanyakan kes, molekul anorganik.

Sifat penerima elektron akhir bergantung pada jenis pernafasan organisma yang dikaji. Dalam aerobes - seperti Homo sapiens - penerima elektron akhir adalah oksigen. Sebaliknya, bagi individu yang mempunyai pernafasan anaerobik, oksigen boleh menjadi toksik. Dalam kes terakhir ini, penerima terakhir adalah molekul bukan organik yang berbeza daripada oksigen.

Pernafasan aerobik telah dikaji secara meluas oleh ahli biokimia dan terdiri daripada dua peringkat: kitaran Krebs dan rantaian pengangkutan elektron.

Dalam organisma eukariotik, semua jentera yang diperlukan untuk pernafasan berlaku adalah di dalam mitokondria, kedua-duanya dalam matriks mitokondria dan dalam sistem membran organelle ini..

Jentera ini terdiri daripada enzim yang memangkinkan tindak balas proses tersebut. Keturunan prokariotik dicirikan oleh ketiadaan organel; Atas sebab ini, pernafasan berlaku di kawasan spesifik membran plasma yang mensimulasikan persekitaran yang sangat mirip dengan mitokondria..

Indeks

  • 1 Terminologi
  • 2 Di mana respirasi selular berlaku??
    • 2.1 Lokasi pernafasan dalam eukariota
    • 2.2 Bilangan mitokondria
    • 2.3 Lokasi pernafasan prokariotik
  • 3 jenis
    • 3.1 Pernafasan aerobik
    • 3.2 Pernafasan Anerbic
    • 3.3 Contoh organisma anaerob
  • 4 Proses
    • 4.1 Kitaran Krebs
    • 4.2 Reaksi kitaran Krebs
    • 4.3 Rantaian pengangkutan elektron
    • 4.4 gandingan Chemosmotic
    • 4.5 Jumlah ATP terbentuk
  • 5 Fungsi
  • 6 Rujukan

Terminologi

Dalam bidang fisiologi, istilah "pernafasan" mempunyai dua definisi: pernafasan pulmonari dan respirasi selular. Apabila kita menggunakan pernafasan perkataan dalam kehidupan seharian, kita merujuk kepada jenis pertama.

Pernafasan lung melibatkan tindakan memberi inspirasi dan tamat, proses ini menghasilkan pertukaran gas: oksigen dan karbon dioksida. Istilah yang betul untuk fenomena ini adalah "pengudaraan".

Sebaliknya, respirasi selular berlaku - seperti namanya - sel dalam dan merupakan proses yang bertanggungjawab untuk menjana tenaga melalui rantai pengangkutan elektron. Proses terakhir ini adalah yang akan dibincangkan dalam artikel ini.

Di mana respirasi selular berlaku??

Lokasi pernafasan dalam eukariota

Pernafasan selular berlaku dalam organelle kompleks yang dipanggil mitokondria. Struktural, mitokondria adalah 1.5 mikrometer lebar dan panjang 2 hingga 8. Mereka dicirikan dengan mempunyai bahan genetik mereka sendiri dan dengan membahagikan oleh pembelahan binary - ciri-ciri vestigial asal endosymbiotik mereka.

Mereka mempunyai dua membran, satu licin dan satu dalaman dengan lipatan yang membentuk rabung. Lebih aktif mitokondria adalah, lebih banyak crests ia ada.

Bahagian dalam mitokondria dipanggil matriks mitokondria. Dalam petak ini adalah enzim, koenzim, air dan fosfat yang diperlukan untuk tindak balas pernafasan.

Membran luar membolehkan laluan molekul yang paling kecil. Bagaimanapun, membran dalaman adalah yang sebenarnya menghalang laluan melalui pengangkut yang sangat spesifik. Kebolehtelapan struktur ini memainkan peranan penting dalam pengeluaran ATP.

Bilangan mitokondria

Enzim dan komponen lain yang diperlukan untuk pernafasan selular didapati berlabuh di dalam membran dan bebas dalam matriks mitokondria.

Oleh itu, sel-sel yang memerlukan lebih banyak tenaga, dicirikan dengan mempunyai jumlah mitokondria yang tinggi, berbanding dengan sel yang keperluan tenaganya lebih rendah.

Sebagai contoh, sel-sel hati mempunyai, purata, 2,500 mitokondria, manakala sel otot (sangat aktif metabolik) mengandungi bilangan yang lebih besar, dan mitokondria jenis sel ini lebih besar.

Di samping itu, ia terletak di kawasan tertentu di mana tenaga diperlukan, contohnya sekitar sperma flagellum.

Lokasi pernafasan prokariotik

Secara logiknya, organisma prokariotik perlu bernafas dan ini tidak mempunyai mitokondria - atau ciri organel kompleks eukariota. Atas sebab ini, proses pernafasan berlaku dalam invaginasi kecil membran plasma, sama dengan mitokondria..

Jenis

Terdapat dua jenis asas pernafasan, bergantung kepada molekul yang bertindak sebagai penerima terakhir elektron. Dalam pernafasan aerobik, penerima adalah oksigen, manakala dalam pernafasan anaerobik ia adalah molekul bukan organik - walaupun dalam beberapa kes yang jarang berlaku, penerima adalah molekul organik. Seterusnya kita akan menerangkan setiap satu secara terperinci:

Pernafasan aerobik

Dalam organisma dengan respirasi aerobik, penerima akhir elektron adalah oksigen. Langkah-langkah yang berlaku dibahagikan kepada kitaran Krebs dan rangkaian pengangkutan elektron.

Penjelasan terperinci tentang tindak balas yang berlaku dalam laluan biokimia akan dibangunkan di bahagian berikut.

Pernafasan anechobic

Penerimaan terakhir terdiri daripada molekul selain oksigen. Jumlah ATP yang dihasilkan oleh respirasi anaerobik bergantung kepada beberapa faktor, termasuk organisme kajian dan laluan yang digunakan..

Walau bagaimanapun, pengeluaran tenaga sentiasa lebih tinggi dalam pernafasan aerobik, kerana kitaran Krebs hanya berfungsi sebahagiannya dan tidak semua molekul transporter dalam rantai menyertai pernafasan

Atas sebab ini, pertumbuhan dan perkembangan individu anaerobik jauh lebih rendah daripada aerobik.

Contoh-contoh organisma anaerob

Dalam sesetengah organisma oksigen adalah toksik dan dipanggil anaerob yang ketat. Contoh yang paling terkenal adalah bakteria yang menyebabkan tetanus dan botulisme: Clostridium.

Di samping itu, terdapat organisma lain yang boleh bertukar antara respirasi aerobik dan anaerobik, yang dipanggil anaerob fakultatif. Dalam erti kata lain, mereka menggunakan oksigen apabila ia sesuai dengan mereka dan jika tidak, mereka menggunakan pernafasan anaerobik. Sebagai contoh, bakteria yang terkenal Escherichia coli mempunyai metabolisme ini.

Bakteria tertentu boleh menggunakan ion nitrat (NO3-) sebagai penerima akhir elektron, seperti genre of Pseudomonas dan Bacillus. Ion ini boleh dikurangkan kepada ion nitrit, nitrogen oksida atau gas nitrogen.

Dalam kes lain, penerima akhir terdiri daripada ion sulfat (SO42-) yang menimbulkan hidrogen sulfida dan yang menggunakan karbonat untuk membentuk metana. Genus bakteria Desulfovibrio adalah contoh penerima ini.

Penerimaan elektron dalam molekul nitrat dan sulfat adalah penting dalam kitaran biogeokimia sebatian ini - nitrogen dan sulfur.

Proses

Glikolisis adalah laluan terdahulu untuk pernafasan sel. Ia bermula dengan molekul glukosa dan produk akhir adalah piruvat, molekul tiga karbon. Glikolisis berlaku dalam sitoplasma sel. Molekul ini mesti dapat memasuki mitokondria untuk meneruskan degradasinya.

Pyruvate boleh meresap dengan kecerunan kepekatan ke organelle, melalui pori-pori membran. Tujuan terakhir ialah matriks mitokondria.

Sebelum memasuki langkah pertama pernafasan selular, molekul piruvat mengalami modifikasi tertentu.

Pertama, ia bertindak balas dengan molekul yang dipanggil coenzyme A. Setiap piruvat dipecah menjadi karbon dioksida dan ke dalam kumpulan asetil, yang mengikat kepada koenzim A, yang menimbulkan kompleks koenimet A asetil..

Dalam tindak balas ini, dua elektron dan satu ion hidrogen dipindahkan ke NADP+, menghasilkan NADH dan dipangkin oleh kompleks enzimatik pyruvate dehydrogenase. Reaksi memerlukan satu siri cofactors.

Selepas pengubahsuaian ini, dua peringkat dalam pernafasan bermula: kitar Krebs dan rantai pengangkutan elektron.

Kitaran Krebs

Kitaran Krebs adalah salah satu reaksi kitaran terpenting dalam biokimia. Ia juga dikenali dalam sastera sebagai kitaran asid sitrik atau kitaran asid tricarboxylic (TCA).

Ia menerima namanya untuk menghormati penemuannya: biokimia Jerman, Hans Krebs. Pada tahun 1953, Krebs dianugerahkan Hadiah Nobel berkat penemuan ini yang menandakan bidang biokimia.

Objektif kitaran adalah pembebasan secara beransur-ansur tenaga yang terkandung dalam asetil aseten A. Ia terdiri daripada satu siri pengoksidaan dan tindak balas pengurangan yang memindahkan tenaga kepada molekul yang berbeza, terutamanya kepada NAD+.

Bagi setiap dua molekul asetil A koenzim yang memasuki kitaran empat molekul karbon dioksida dilepaskan, enam molekul NADH dan dua FADH dihasilkan2. CO2 Ia dibebaskan ke atmosfera sebagai bahan buangan proses. GTP juga dijana.

Oleh kerana laluan ini mengambil bahagian dalam kedua-dua proses anabolik (sintesis molekul) dan proses katabolik (degradasi molekul), ia dipanggil "amfibolik".

Reaksi kitaran Krebs

Kitaran bermula dengan gabungan molekul asetil koenzim A dengan molekul oksaloasetat. Kesatuan ini menghasilkan molekul enam-karbon: sitrat. Oleh itu, koenzim A dilepaskan. Malah, ia digunakan semula sebilangan besar kali. Sekiranya terdapat banyak ATP dalam sel, langkah ini tidak dapat dihalang.

Reaksi di atas memerlukan tenaga dan diperolehi daripada pecahan ikatan tenaga tinggi antara kumpulan asetil dan koenzim A.

Citrate melewati cis aconitato, dan berlaku kepada isokasi oleh enzim aconitasa. Langkah seterusnya adalah penukaran isocitrate kepada alpha ketoglutarate oleh isocitrate dehidrogenasi. Tahap ini adalah relevan kerana ia membawa kepada pengurangan NADH dan melepaskan karbon dioksida.

Ketoglutarat Alpha ditukarkan kepada succinyl coenzyme A, oleh alpha ketoglutarate dehydrogenase, yang menggunakan cofactors sama seperti pyruvate kinase. Dalam langkah ini, NADH juga dijana dan, sebagai langkah awal, ia terhalang oleh lebihan ATP.

Produk seterusnya adalah sihat. Dalam pengeluarannya, pembentukan GTP berlaku. Succinate pass to fumarate. Reaksi ini menghasilkan FADH. Fumarate, sebaliknya, menjadi malate dan akhirnya oxalacetate.

Rantaian pengangkutan elektron

Rantai pengangkutan elektron bertujuan untuk mengambil elektron dari sebatian yang dijana dalam langkah-langkah terdahulu, seperti NADH dan FADH2, yang berada pada tahap tenaga yang tinggi, dan membawa mereka ke tahap tenaga yang lebih rendah.

Pengurangan tenaga berlaku langkah demi langkah, iaitu, ia tidak berlaku dengan tiba-tiba. Ia terdiri daripada satu siri langkah di mana tindak balas pengurangan pengoksidaan berlaku.

Komponen utama rantai adalah kompleks yang dibentuk oleh protein dan enzim yang digabungkan dengan cytochromes: metalloporphyrin jenis heme.

Cytochromes agak serupa dari segi strukturnya, walaupun masing-masing mempunyai ciri khas yang membolehkannya melaksanakan fungsi spesifiknya dalam rantai, menyanyi elektron pada tahap tenaga yang berlainan..

Anjakan elektron melalui rantaian pernafasan ke tahap yang lebih rendah, menghasilkan pembebasan tenaga. Tenaga ini boleh digunakan dalam mitokondria untuk mensintesis ATP, dalam proses yang dikenali sebagai fosforilasi oksidatif.

Gandingan Chemosmotic

Untuk masa yang lama mekanisme pembentukan ATP dalam rantaian itu adalah teka-teki, sehingga ahli biokimia Peter Mitchell mengusulkan gandingan chemosmotik.

Dalam fenomena ini, kecerunan proton ditubuhkan melalui membran mitokondria dalaman. Tenaga yang terkandung di dalam sistem ini dibebaskan dan digunakan untuk mensintesis ATP.

Jumlah ATP terbentuk

Seperti yang kita lihat, ATP tidak terbentuk secara langsung dalam kitaran Krebs, tetapi dalam rantaian pengangkutan elektron. Untuk setiap dua elektron yang melalui NADH ke oksigen, sintesis tiga molekul ATP berlaku. Anggaran ini mungkin berbeza-beza bergantung pada kesusasteraan yang dirujuk.

Begitu juga, untuk setiap dua elektron yang lulus dari FADH2, dua molekul ATP dibentuk.

Fungsi

Fungsi utama pernafasan sel adalah penjanaan tenaga dalam bentuk ATP untuk mengarahkannya ke fungsi sel.

Kedua-dua haiwan dan tumbuh-tumbuhan memerlukan mengekstrak tenaga kimia yang terdapat dalam molekul organik yang digunakan sebagai makanan. Dalam kes sayur-sayuran, molekul-molekul ini adalah gula yang tumbuhan yang sama mensintesiskan dengan menggunakan tenaga solar dalam proses fotosintesis yang terkenal.

Haiwan, sebaliknya, tidak dapat mensintesis makanan mereka sendiri. Oleh itu, heterotrophs mengambil makanan dalam diet - seperti kita, sebagai contoh. Proses pengoksidaan bertanggungjawab untuk mengeluarkan tenaga daripada makanan.

Kita tidak boleh mengelirukan fungsi fotosintesis dengan pernafasan. Tumbuhan, seperti haiwan, juga bernafas. Kedua-dua proses itu melengkapi dan mengekalkan dinamika dunia yang hidup.

Rujukan

  1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Pengenalan kepada biologi sel. Ed. Panamericana Medical.
  2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, B. E. (2003). Biologi: Kehidupan di Bumi. Pendidikan Pearson.
  3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologi. Ed. Panamericana Medical.
  4. Hickman, C. P., Roberts, L.S., Larson, A., Ober, W.C., & Garrison, C. (2007). Prinsip zoologi bersepadu. McGraw-Hill.
  5. Randall, D., Burggren, W., Perancis, K., & Eckert, R. (2002). Fisiologi haiwan Eckert. Macmillan.
  6. Tortora, G. J., Funke, B. R., & Case, C. L. (2007). Pengenalan kepada mikrobiologi. Ed. Panamericana Medical.
  7. Young, B., Heath, J.W, Lowe, J.S., Stevens, A., & Wheater, P.R. (2000). Histologi fungsional: teks dan atlas warna. Harcourt.