STANIČNO DISANJE: POSTUPAK, VRSTE I FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2026

Stanična respiracija je proces koji generira energiju u obliku ATP (adenozin trifosfat). Kasnije se ta energija usmjerava na druge stanične procese. Tijekom ovog fenomena, molekule prolaze oksidaciju, a krajnji akceptor elektrona je, u većini slučajeva, anorganska molekula.

Priroda konačnog akceptora elektrona ovisi o vrsti disanja ispitivanog organizma. U aerobima - poput Homo sapiensa - krajnji je akceptor elektrona. Suprotno tome, za anaerobne respirator kisik može biti toksičan. U potonjem slučaju, konačni akceptor je anorganska molekula koja nije kisik.

Izvor: Autor Darekk2, iz Wikimedia Commons

Biokemičari su detaljno proučavali aerobno disanje i sastoji se od dvije faze: Krebsov ciklus i lanac transporta elektrona.

U eukariotskim organizmima sva se oprema potrebna za disanje nalazi unutar mitohondrija, kako u mitohondrijskom matriksu, tako i u membranskom sustavu ovog organele.

Strojevi se sastoje od enzima koji kataliziraju reakcije procesa. Prokariotsku lozu karakterizira odsutnost organela; Zbog toga se disanje pojavljuje u specifičnim regijama plazma membrane koje simuliraju okruženje vrlo slično onom mitohondrija.

Terminologija

U području fiziologije, izraz "disanje" ima dvije definicije: plućno disanje i stanično disanje. Kada u svakodnevnom životu koristimo riječ dah, mislimo na prvi tip.

Plućno disanje obuhvaća djelovanje udisaja i udisaja, što rezultira izmjenom plinova: kisika i ugljičnog dioksida. Ispravan izraz za ovaj fenomen je "ventilacija".

Suprotno tome, stanično disanje se događa - kao što mu ime kaže - unutar stanica i proces je zadužen za stvaranje energije kroz transportni lanac elektrona. Ovaj posljednji postupak je onaj o kojem će se govoriti u ovom članku.

Gdje se događa stanično disanje?

Mjesto disanja u eukariota

Mitohondriji

Stanično disanje odvija se u složenoj organeli koja se naziva mitohondriji. Strukturno su mitohondriji široki 1,5 mikrona i dugi od 2 do 8 mikrona. Karakterizira ih posjedovanje vlastitog genetskog materijala i dijeljenjem binarnom fisijom - vestigijalne karakteristike njihovog endosimbiotskog podrijetla.

Imaju dvije membrane, glatku i unutarnju, sa naborima koji tvore grebene. Što su aktivniji mitohondriji, to više grebena ima.

Unutrašnjost mitohondrija naziva se mitohondrijska matrica. U ovom su odjeljku enzimi, koenzimi, voda i fosfati potrebni za respiratorne reakcije.

Vanjska membrana omogućuje prolazak većine malih molekula. No, unutarnja membrana zapravo ograničava prolazak kroz vrlo specifične transportere. Propusnost ove strukture igra temeljnu ulogu u proizvodnji ATP-a.

Broj mitohondrija

Enzimi i ostale komponente potrebne za stanično disanje nalaze se usidreni u membranama i bez mitohondrijskog matriksa.

Iz tog razloga, stanice kojima je potrebna veća količina energije karakterizirane su velikim brojem mitohondrija, za razliku od stanica čija je potreba za energijom manja.

Na primjer, stanice jetre imaju u prosjeku 2500 mitohondrija, dok mišićna stanica (vrlo metabolički aktivna) sadrži mnogo veći broj, a mitohondriji ovog staničnog tipa su veći.

Osim toga, smješteni su u određenim regijama u kojima je potrebna energija, na primjer u okruženju flagela sperme.

Mjesto prokariotskog disanja

Logično je da prokariotski organizmi trebaju disati i nemaju mitohondrije - niti složene organele karakteristične za eukariote. Zbog toga se respiratorni proces odvija u malim invaginacijama plazma membrane, analogno onome kako se događa u mitohondrijama.

vrste

Postoje dvije temeljne vrste disanja, ovisno o molekuli koja je djelovala kao završni akceptor elektrona. U aerobnom disanju akceptor je kisik, dok je u anaerobnom anorganska molekula - iako je u nekoliko specifičnih slučajeva akceptor organska molekula. Svako ćemo detaljno opisati u nastavku:

Aerobno disanje

U aerobnim organizmima za disanje konačni akceptor elektrona je kisik. Koraci koji se događaju podijeljeni su u Krebsov ciklus i lanac transporta elektrona.

Detaljno objašnjenje reakcija koje se odvijaju u ovim biokemijskim putovima razvit će se u sljedećem odjeljku.

Anerobno disanje

Konačni akceptor sastoji se od molekule koja nije kisik. Količina ATP-a stvorena anaerobnim disanjem ovisi o nekoliko čimbenika, uključujući organizam u ispitivanju i korišteni put.

Međutim, proizvodnja aerobika disanja uvijek je veća jer Krebsov ciklus djeluje samo djelomično, a ne dišu sve molekule transportera u lancu.

Iz tog razloga, rast i razvoj anaerobnih jedinki znatno je manji od aerobnih.

Primjeri anaerobnih organizama

U nekim organizmima kisik je toksičan i nazivaju se strogim anaerobima. Najpoznatiji primjer je bakterija koja uzrokuje tetanus i botulizam: Clostridium.

Pored toga, postoje i drugi organizmi koji mogu naizmjenično izmjenjivati ​​aerobno i anaerobno disanje, nazivajući se fakultativnim anaerobima. Drugim riječima, oni koriste kisik kad im odgovara, a ako ga nema, pribjegavaju anaerobnom disanju. Primjerice, dobro poznata bakterija Escherichia coli posjeduje taj metabolizam.

Određene bakterije mogu koristiti nitratni ion (NO ₃ ^-) kao krajnji akceptor elektrona, poput rodova Pseudomonas i Bacillus. Rečeni ion može se smanjiti na nitritni ion, dušikov oksid ili dušični plin.

U ostalim slučajevima, konačni akceptor sastoji se od sulfatnog iona (SO ₄ ^2-) koji stvara vodikov sulfid i koristi karbonat za stvaranje metana. Rod bakterija Desulfovibrio je primjer ove vrste akceptora.

Ovaj prijem elektrona u molekulama nitrata i sulfata presudan je u biogeokemijskim ciklusima ovih spojeva - dušika i sumpora.

Postupak

Glikoliza je put prije staničnog disanja. Počinje s molekulom glukoze, a krajnji produkt je piruvat, molekula tri ugljika. Glikoliza se odvija u citoplazmi stanice. Ova molekula mora moći ući u mitohondrije kako bi nastavila razgradnju.

Piruvat se može difundirati koncentracijskim gradijentima u organele, kroz pore membrane. Konačno odredište bit će matrica mitohondrija.

Prije nego što uđe u prvi korak staničnog disanja, molekula piruvata prolazi kroz određene modifikacije.

Prvo, reagira s molekulom koja se zove koenzim A. Svaki se piruvat cijepi u ugljični dioksid i acetilnu skupinu koja se veže na koenzim A, stvarajući acetilni koenzim A kompleks.

U ovoj reakciji, dva elektrona i vodikov ion prenose se u NADP ⁺, dajući NADH i katalizira ga enzim kompleksom piruvat dehidrogenaze. Za reakciju je potreban niz kofaktora.

Nakon ove izmjene počinju dvije faze disanja: Krebsov ciklus i lanac transporta elektrona.

Krebsov ciklus

Krebsov ciklus jedna je od najvažnijih cikličkih reakcija u biokemiji. U literaturi je također poznat kao ciklus limunske kiseline ili ciklus trikarboksilne kiseline (TCA).

Ime je dobio po otkriću: njemačkom biokemičaru Hansu Krebsu. Godine 1953., Krebs je dobio Nobelovu nagradu za ovo otkriće koje je obilježilo polje biokemije.

Cilj ciklusa je postupno oslobađanje energije sadržane u acetil koenzimu A. Sastoji se od niza reakcija oksidacije i redukcije koje energiju prenose u različite molekule, uglavnom NAD ⁺.

Za svake dvije molekule acetil koenzima A koje uđu u ciklus oslobađaju se četiri molekule ugljičnog dioksida, nastaje šest molekula NADH i dvije FADH ₂. CO ₂ se izbacuje u atmosferu kao otpadna tvar iz procesa. GTP se također generira.

Kako taj put sudjeluje i u anaboličkim (sinteza molekula) i u kataboličkim (razgradnja molekula) procesa, naziva se "amfiboličkim".

Krebsove ciklusne reakcije

Ciklus započinje fuzijom molekule acetil koenzima A s molekulom oksaloacetata. Ova zajednica stvara molekulu sa šest ugljika: citrat. Tako se oslobađa koenzim A. U stvari, on se više puta koristi. Ako u ćeliji ima previše ATP-a, taj se korak koči.

Gornja reakcija zahtijeva energiju i dobiva je iz prekida visokoenergetske veze između acetilne skupine i koenzima A.

Citrat se pretvara u cis akonitat, a enzim aconitaza pretvara se u izocitrat. Sljedeći korak je pretvorba izocitrata u alfa ketoglutarat dehidriranim izocitratom. Ova faza je relevantna jer dovodi do smanjenja NADH i oslobađa ugljični dioksid.

Alfa ketoglutarat se pretvara u sukcinil koenzim A alfa ketoglutarat dehidrogenazom, koji koristi iste kofaktore kao i piruvat kinaza. NADH se također generira u ovom koraku i kao početni korak inhibira višak ATP-a.

Sljedeći proizvod je sukcinat. U njegovoj proizvodnji dolazi do stvaranja GTP-a. Sukcinat se mijenja u fumarat. Ta reakcija daje FADH. Fumarat zauzvrat postaje malat i na kraju oksaloacetat.

Lanac transporta elektrona

Cilj je lanca prijenosa elektrona uzeti elektrone iz spojeva stvorenih u prethodnim koracima, kao što su NADH i FADH ₂, koji su na visokoj energetskoj razini, i dovesti ih do niže razine energije.

Taj pad energije odvija se korak po korak, odnosno ne događa se naglo. Sastoji se od niza koraka u kojima se javljaju redoks reakcije.

Glavne komponente lanca su kompleksi formirani od proteina i enzima povezanih s citokromima: metaloporfirini tipa hema.

Citohromi su po svojoj strukturi prilično slični, iako svaki od njih ima posebnost koja mu omogućuje obavljanje svoje specifične funkcije unutar lanca, pjevanje elektrona na različitim energetskim razinama.

Kretanje elektrona kroz dišni lanac na niže razine, stvara oslobađanje energije. Ta se energija može upotrijebiti u mitohondrijama za sintezu ATP-a, u procesu poznatom kao oksidativna fosforilacija.

Kemozmotsko spajanje

Dugo je vrijeme mehanizam formiranja ATP-a u lancu bio zagonetka, sve dok biokemičar Peter Mitchell nije predložio kemozmotično spajanje.

U ovom fenomenu uspostavlja se protonski gradijent preko unutarnje mitohondrijske membrane. Energija sadržana u ovom sustavu oslobađa se i koristi za sintezu ATP-a.

Količina ATP-a formirana

Kao što smo vidjeli, ATP se ne formira izravno u Krebsovom ciklusu, već u lancu transporta elektrona. Za svaka dva elektrona koja pređu iz NADH u kisik dolazi do sinteze tri ATP molekule. Ta se procjena može donekle razlikovati ovisno o literaturi u kojoj se nalazi.

Slično tome, za svaka dva elektrona koja prolaze iz FADH ₂ formiraju se dvije ATP molekule.

Značajke

Glavna funkcija staničnog disanja je stvaranje energije u obliku ATP-a kako bi se mogla usmjeriti na funkcije stanice.

I životinje i biljke trebaju izvući kemijsku energiju sadržanu u organskim molekulama koje koriste za hranu. U slučaju povrća, te su molekule šećeri koje biljka sama sintetizira pomoću sunčeve energije u poznatom fotosintetskom procesu.

Životinje, s druge strane, nisu sposobne sintetizirati vlastitu hranu. Tako heterotrofi konzumiraju hranu u prehrani - poput nas, na primjer. Proces oksidacije zadužen je za izvlačenje energije iz hrane.

Ne smijemo brkati funkcije fotosinteze s funkcijama disanja. Biljke, poput životinja, također dišu. Oba su procesa komplementarna i održavaju dinamiku živog svijeta.

Reference

1. Alberts, B., i Bray, D. (2006). Uvod u staničnu biologiju. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologija: Život na Zemlji. Pearsonovo obrazovanje.
3. Curtis, H., i Schnek, A. (2008). Curtis. Biologija. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Integrirani principi zoologije. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckertova fiziologija životinja. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Uvod u mikrobiologiju. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Funkcionalna histologija: tekst i atlas u boji. Harcourt.