SEJTES LÉGZÉS: FOLYAMAT, TÍPUSOK ÉS FUNKCIÓK - BIOLÓGIA - 2026

A sejtes légzés olyan folyamat, amely energiát generál ATP (adenozin-trifoszfát) formájában. Később ez az energia más sejtes folyamatokhoz irányul. Ezen jelenség során a molekulák oxidálódnak, és az elektronok végső akceptorja a legtöbb esetben szervetlen molekula.

A végső elektronakceptor jellege a vizsgált szervezet légzésének típusától függ. Az aerobokban - mint például a Homo sapiens esetében - a végső elektronakceptor az oxigén. Ezzel szemben az anaerob légzőkészülékeknél az oxigén mérgező lehet. Az utóbbi esetben a végső akceptor az oxigéntől eltérő szervetlen molekula.

Forrás: Darekk2, a Wikimedia Commonsból

Az aerob légzést a biokémikusok széles körben vizsgálták, és két szakaszból áll: a Krebsi ciklusból és az elektronszállító láncból.

Az eukarióta szervezetekben a légzéshez szükséges összes eszköz a mitokondriumok belsejében helyezkedik el, mind a mitokondriális mátrixban, mind pedig ezen organellem membránrendszerében.

A gép olyan enzimekből áll, amelyek katalizálják a folyamat reakcióit. A prokarióta törzset organellák hiánya jellemzi; Ezért a plazmamembrán meghatározott területein a légzés történik, amelyek a mitokondriumokhoz nagyon hasonló környezetet szimulálnak.

Terminológia

A fiziológia területén a "légzés" kifejezésnek két meghatározása van: tüdő légzés és celluláris légzés. Amikor a légzés szót használjuk a mindennapi életben, az első típusra utalunk.

A pulmonális légzés magában foglalja a be- és kifelé történő légzést, ez a folyamat gázok cseréjét eredményezi: oxigén és szén-dioxid. A jelenség helyes kifejezése a "szellőzés".

Ezzel szemben a sejtek légzése - amint a neve is sugallja - a sejtek belsejében fordul elő, és ez az az eljárás, amely az elektronok szállító láncon keresztül energiát generál. Ez az utolsó folyamat lesz a cikk tárgyalása.

Hol történik a sejtek légzése?

A légzés helye az eukariótákban

A mitokondriumok

A sejtek légzése a mitokondriumoknak nevezett komplex organellában zajlik. Szerkezetileg a mitokondriumok 1,5 mikron széles és 2-8 mikron hosszúak. Jellemzőik, hogy saját genetikai anyaguk van, és az endoszimbiotikus eredetüket bináris hasadással - vestigiális tulajdonságokkal osztják.

Két membránnal rendelkeznek, egy sima és egy belső membránnal, a redőket képező redőkkel. Minél aktívabb a mitokondriumok, annál több gerinc van.

A mitokondrium belsejét mitokondriális mátrixnak nevezzük. Ebben a rekeszben található a légzőszervi reakciókhoz szükséges enzimek, koenzimek, víz és foszfátok.

A külső membrán lehetővé teszi a legtöbb kis molekula átjutását. Ugyanakkor a belső membrán korlátozza az áthaladást nagyon specifikus transzporterekön. Ennek a szerkezetnek a permeabilitása alapvető szerepet játszik az ATP előállításában.

A mitokondriumok száma

A sejtek légzéséhez szükséges enzimeket és egyéb alkotóelemeket a membránokban rögzítik és a mitokondriális mátrixban szabadon találják.

Ezért a nagyobb energiamennyiséget igénylő sejteket nagyszámú mitokondrium jellemzi, szemben azokkal a sejtekkel, amelyek energiaigénye alacsonyabb.

Például a májsejtek átlagosan 2500 mitokondriummal rendelkeznek, míg egy izomsejt (nagyon metabolikusan aktív) sokkal nagyobb számot tartalmaz, és az ilyen sejttípus mitokondriumai nagyobbak.

Ezen túlmenően ezek olyan régiókban helyezkednek el, ahol energiára van szükség, például körülötte a sperma flagellumát.

A prokarióta légzés helye

Logikusan, a prokarióta szervezeteknek lélegezniük kell, és nem rendelkeznek mitokondriumokkal - sem az eukariótákra jellemző komplex organellákkal. Ezért a légzési folyamat a plazmamembrán kis behatolásaival zajlik, analóg módon a mitokondriumokban.

típusai

Két alapvető típusú légzés létezik, attól függően, hogy melyik molekula az elektronok végső elfogadójaként működött. Aerob légzésben az akceptor oxigén, míg az anaerobban egy szervetlen molekula - bár néhány különleges esetben az akceptor egy szerves molekula. Az alábbiakban részletesen leírjuk mindegyiket:

Aerob légzés

Az aerob légzésű szervezetekben az elektronok végső elfogadója az oxigén. A bekövetkező lépéseket megosztjuk a Krebs-ciklusban és az elektronszállító láncban.

Az ezekben a biokémiai útvonalakban zajló reakciók részletes magyarázatát a következő részben fejlesztem.

Anerob légzés

A végső akceptor az oxigéntől eltérő molekulából áll. Az anaerob légzés által generált ATP mennyisége számos tényezőtől függ, ideértve a vizsgált szervezetet és az alkalmazott utat is.

Az energiatermelés azonban mindig magasabb az aerob légzés során, mivel a Krebsz-ciklus csak részben működik, és a lánc összes szállítómolekulája nem vesz részt a légzésben.

Ezért az anaerob egyének növekedése és fejlődése lényegesen kisebb, mint az aerob.

Példák az anaerob organizmusokra

Egyes szervezetekben az oxigén mérgező, és szigorú anaeroboknak nevezik őket. A legismertebb példa a tetanuszot és a botulizmust okozó baktériumra: a Clostridium.

Ezen kívül vannak más szervezetek, amelyek váltakozhatnak az aerob és az anaerob légzés között, fakultatív anaeroboknak nevezik őket. Más szavakkal, ha oxigént használnak, amikor megfelel, és ennek hiányában anaerob légzést alkalmaznak. Például a jól ismert Escherichia coli baktérium rendelkezik ezzel az anyagcserével.

Bizonyos baktériumok ^- például a Pseudomonas és a Bacillus nemzetségek ^- a nitrátiont (NO ₃ ^-) használhatják végső elektronakceptorként. Az említett ion redukálható nitritionra, dinitrogén-oxiddá vagy nitrogéngázzá.

Más esetekben a végső akceptor egy szulfát-ionból (SO ₄ ²) áll, amely hidrogén-szulfidot eredményez, és a karbonátot metán képzésére használja fel. A baktériumok Desulfovibrio nemzetsége példája az ilyen típusú receptornak.

Az elektronoknak ez a nitrát- és szulfátmolekulákban történő befogadása döntő jelentőségű ezen vegyületek - nitrogén és kén - biogeokémiai ciklusaiban.

Folyamat

A glikolízis egy út a sejtek légzése előtt. A glükózmolekulával kezdődik, és a végtermék piruvát, egy három szénatomszámú molekula. A glikolízis a sejt citoplazmájában zajlik. Ennek a molekulanak képesnek kell lennie arra, hogy bejutjon a mitokondriumokba, hogy folytatódjon lebomlása.

A piruvát a koncentráció-gradienseken keresztül diffundálhat az organellába, a membrán pórusaion keresztül. A végső rendeltetési hely a mitokondriumok mátrixa lesz.

A celluláris légzés első lépése előtt a piruvát molekulán bizonyos módosításokon megy keresztül.

Először az A koenzim nevű molekulával reagál. Mindegyik piruvát széndioxiddá hasad és az A-koenzimhez kötődő acetilcsoportot képezve az A-acetil-koenzim komplex képződik.

Ebben a reakcióban két elektron és egy hidrogénion átjut a NADP ⁺ -ba, így NADH-t kap, és ezt a piruvát dehidrogenáz enzim komplex katalizálja. A reakcióhoz számos kofaktor szükséges.

Ezen módosítás után a légzés két szakasza kezdődik: a Krebsi ciklus és az elektronszállító lánc.

A Krebsi ciklus

A Krebsi ciklus az egyik legfontosabb ciklikus reakció a biokémiaban. Az irodalomban citromsav-ciklus vagy trikarbonsav-ciklus (TCA) néven is ismert.

Felfedezőjének: Hans Krebs német biokémikusnak nevezték el. 1953-ban Krebs Nobel-díjjal jutalmazta ezt a felfedezést, amely a biokémia területét jelölte meg.

A ciklus célja az A acetil-koenzimben lévő energia fokozatos felszabadulása. Oxidációs és redukciós reakciók sorozatából áll, amelyek energiát továbbítanak különböző molekulákba, főleg a NAD ⁺ -ba.

Minden, a ciklusba belépő A-acetil-koenzim molekulánál négy szén-dioxid szabadul fel, hat NADH és kettő FADH ₂ molekulát generálnak. A folyamat során hulladékként a CO ₂ szabadul fel a légkörbe. GTP is generálódik.

Mivel ez az út részt vesz mind az anabolikus (molekula szintézis), mind a katabolikus (a molekula lebomlása) folyamatokban, úgy nevezzük, hogy „kétéltű”.

Krebs-ciklusos reakciók

A ciklus egy A-acetil-koenzim molekula fuzionálásával kezdődik egy oxaloacetát-molekulával. Ez az unió hat szénatomszámú molekulat eredményez: citrát. Így az A. koenzim felszabadul, sőt, sokszor újra felhasználják. Ha túl sok ATP van a cellában, ezt a lépést gátoljuk.

A fenti reakció energiát igényel, és lehetővé teszi, hogy megszakítsa a nagy energiájú kötést az acetilcsoport és az A koenzim között.

A citrát cisz-akonitáttá alakul, az aconitáz enzim pedig izocitráttá alakul. A következő lépés az izocitrát átalakítása alfa-ketoglutaráttá dehidrogénezett izocitráttal. Ez a szakasz releváns, mivel a NADH csökkentéséhez vezet és szén-dioxidot bocsát ki.

Az alfa-ketoglutarátot alfa-ketoglutarát-dehidrogenáz formájában szukcinil-A koenzimmé alakítják, amely ugyanazokat a kofaktorokat használja, mint a piruvát-kináz. Ebben a lépésben szintén NADH képződik, és mint kezdeti lépést a felesleges ATP gátolja.

A következő termék szukcinált. Termelésekor a GTP képződik. A szukcinát fumaráttá változik. Ez a reakció FADH-t eredményez. A fumarát viszont maláttá és végül oxaloacetáttá válik.

Az elektron szállító lánc

A cél az elektron transzport lánc az, hogy az elektronok a vegyületek keletkezett előző lépésekben, mint például NADH és FADH ₂, amely akkor van nagy energiájú szintű, és vezeti őket egy alacsonyabb energia szinten.

Az energia csökkenése lépésről lépésre történik, azaz nem fordul elő hirtelen. Lépések sorozatából áll, ahol redox reakciók fordulnak elő.

A lánc fő alkotóelemei a citokrómhoz kapcsolt fehérjék és enzimek által alkotott komplexek: hem-típusú metalloporpirinek.

A citokrómok szerkezetükben meglehetősen hasonlóak, bár mindegyiknek megvan a sajátossága, amely lehetővé teszi, hogy a láncon belüli speciális funkcióját elvégezze, elektronokat énekelve különböző energiaszinteken.

Az elektronok mozgása a légzőláncon keresztül az alacsonyabb szintekre, energia felszabadulást eredményez. Ez az energia felhasználható a mitokondriumokban az ATP szintézisére, egy oxidatív foszforilációnak nevezett eljárásban.

Kemoszmotikus kapcsolás

Az ATP képződésének mechanizmusa a láncban sokáig rejtély volt, amíg Peter Mitchell biokémikus kemoszmotikus kapcsolást javasolt.

Ebben a jelenségben protongradiens alakul ki a belső mitokondriális membránon. A rendszerben lévő energia felszabadul és felhasználásra kerül az ATP szintéziséhez.

A képződött ATP mennyisége

Mint láttuk, az ATP nem közvetlenül a Krebs-ciklusban, hanem az elektronszállító láncban alakul ki. Minden második elektronon, amely a NADH-tól az oxigénig halad át, három ATP-molekula szintetizálódik. Ez a becslés a megkeresett irodalomtól függően némileg változhat.

Hasonlóképpen, minden FADH _2-ből elhaladó elektronhoz két ATP molekula képződik.

Jellemzők

A sejtek légzésének fő funkciója az energia előállítása ATP formájában, hogy képes legyen a sejt működésére irányítani.

Mind az állatoknak, mind a növényeknek ki kell vonniuk az élelmiszerekhez használt szerves molekulákban lévő kémiai energiát. A zöldségek esetében ezek a molekulák azok a cukrok, amelyeket maga a növény szintetizál a napenergia felhasználásával a híres fotoszintézis során.

Az állatok viszont nem képesek saját ételeiket szintetizálni. Így a heterotrófok az étrendben fogyasztanak ételt - mint például mi. Az oxidációs folyamat feladata az energia kinyerése az élelmiszerekből.

Nem szabad összekevernünk a fotoszintézis és a légzés funkcióit. A növények, mint az állatok, szintén lélegeznek. Mindkét folyamat kiegészíti egymást és fenntartja az élő világ dinamikáját.

Irodalom

1. Alberts, B. és Bray, D. (2006). Bevezetés a sejtbiológiába. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G. és Byers, BE (2003). Biológia: Élet a földön. Pearson oktatás.
3. Curtis, H. és Schnek, A. (2008). Curtis. Biológia. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, és Garrison, C. (2007). Az állattan integrált alapelvei. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., francia, K., és Eckert, R. (2002). Eckert állati élettan. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Bevezetés a mikrobiológiába. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., és Wheater, PR (2000). Funkcionális szövettan: szöveg és atlasz színes. Harcourt.