АЕРОБНЕ ДИХАННЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТАДІЇ ТА ОРГАНІЗМИ - БІОЛОГІЯ - 2024

Аеробне дихання або аеробне є біологічний процес , який включає в себе отримання енергії органічних молекул - в основному , глюкоза - серія реакцій окислення, де кінцевий акцептор електронів представляють собою кисень.

Цей процес присутній у переважній більшості органічних істот, зокрема еукаріотів. Всі тварини, рослини та гриби дихають аеробним шляхом. Крім того, деякі бактерії також проявляють аеробний обмін.

У еукаріотів апарат для клітинного дихання розташований у мітохондріях.
Джерело: Національний науково-дослідний інститут геному людини (NHGRI) з м. Бетесда, штат Медіа, США, через Wikimedia Commons

Взагалі процес отримання енергії з молекули глюкози поділяється на гліколіз (цей крок є загальним як в аеробному, так і в анаеробному шляху), циклі Кребса і ланцюзі транспорту електронів.

Поняття аеробного дихання протиставляється анаеробному диханню. В останньому кінцевим акцептором електронів є ще одна неорганічна речовина, відмінна від кисню. Це характерно для деяких прокаріотів.

Що таке кисень?

Перш ніж обговорювати процес аеробного дихання, необхідно знати певні аспекти молекули кисню.

Це хімічний елемент, представлений у періодичній таблиці з буквою O та атомним номером 8. За стандартних умов температури та тиску кисень, як правило, пов'язується парами, що створює молекулу діоксигену.

Цей газ, складений з двох атомів кисню, не має кольору, запаху та смаку і представлений формулою O ₂ . В атмосфері він є важливим компонентом і необхідний для підтримки більшості життєвих форм на землі.

Завдяки газоподібній природі кисню молекула здатна вільно перетинати клітинні мембрани - як зовнішню мембрану, яка відокремлює клітину від позаклітинного середовища, так і мембрани підклітинних відділень, включаючи мітохондрії.

Дихальні характеристики

Клітини використовують молекули, які ми вживаємо в свій раціон як своєрідне дихальне «паливо».

Клітинне дихання - це процес, що генерує енергію, у формі молекул АТФ, де молекули, що підлягають деградації, піддаються окисленню, а кінцевий акцептор електронів - у більшості випадків неорганічна молекула.

Важливою особливістю, яка дозволяє здійснювати процеси дихання, є наявність ланцюга транспорту електронів. При аеробному диханні кінцевим акцептором електронів є молекула кисню.

У нормальних умовах ці "паливи" - це вуглеводи або вуглеводи та жири або ліпіди. Оскільки організм переживає нестабільні умови через брак їжі, він вдається до вживання білків, щоб спробувати задовольнити його енергетичні потреби.

Слово дихання - частина нашого словника в повсякденному житті. Акт занесення повітря в наші легені, в безперервних циклах видихів і вдихів, ми називаємо диханням.

Однак у формальному контексті наук про життя така дія позначається терміном вентиляція. Таким чином, термін дихання використовується для позначення процесів, що відбуваються на клітинному рівні.

Процеси (етапи)

Етапи аеробного дихання передбачають необхідні кроки для вилучення енергії з органічних молекул - в цьому випадку ми опишемо випадок молекули глюкози як дихального палива - до тих пір, поки вона не дістанеться до акцептора кисню.

Цей складний метаболічний шлях поділяється на гліколіз, цикл Кребса та ланцюг транспорту електронів:

Гліколіз

Фігура 1: гліколіз проти глюконеогенезу. Реакції та ферменти, що беруть участь.

Перший крок у розщепленні мономеру глюкози - це гліколіз, який також називають гліколізом. Цей крок не потребує кисню безпосередньо, і він присутній практично у всіх живих істотах.

Мета цього метаболічного шляху - розщеплення глюкози на дві молекули піровиноградної кислоти, отримання двох молекул чистої енергії (АТФ) та зменшення двох молекул НАД ⁺ .

За наявності кисню шлях може продовжуватися до циклу Кребса та ланцюга транспорту електронів. Якщо кисню немає, молекули йдуть шляхом ферментації. Іншими словами, гліколіз є загальним метаболічним шляхом для аеробного та анаеробного дихання.

До циклу Кребса повинно відбуватися окисне декарбоксилювання піровиноградної кислоти. Цей крок опосередковується дуже важливим ферментним комплексом, який називається піруватдегідрогеназа, який здійснює вищезазначену реакцію.

Таким чином, піруват стає ацетильним радикалом, який згодом захоплюється коферментом А, який відповідає за транспортування його до циклу Кребса.

Цикл Кребса

Цикл Кребса, також відомий як цикл лимонної кислоти або цикл трикарбонової кислоти, складається з ряду біохімічних реакцій, каталізованих специфічними ферментами, які прагнуть поступово звільнити хімічну енергію, що зберігається в ацетильному коензимі А.

Це шлях, який повністю окислює молекулу пірувату і зустрічається в матриці мітохондрій.

Цей цикл заснований на серії реакцій окислення та відновлення, які передають потенційну енергію у вигляді електронів до елементів, які приймають їх, зокрема молекули НАД ⁺ .

Підсумок циклу Кребса

Кожна молекула піровиноградної кислоти розпадається на вуглекислий газ і двовуглецеву молекулу, відому як ацетильна група. З приєднанням до коферменту А (згаданий у попередньому розділі) утворюється ацетильний кофермент А.

Два вуглецю піровиноградної кислоти входять у цикл, конденсуються з оксалоацетатом і утворюють шестивуглецеву молекулу цитрату. Таким чином, відбуваються стадії окислювальної стадії. Цитрат повертається до оксалоацетату з теоретичним отриманням 2 молей вуглекислого газу, 3 молей NADH, 1 FADH ₂ і 1 моль GTP.

Оскільки при гліколізі утворюються дві молекули пірувату, одна молекула глюкози передбачає два оберти циклу Кребса.

Електронний ланцюг транспорту

Електронно-транспортний ланцюг складається з послідовності білків, які мають здатність здійснювати реакції окислення та відновлення.

Проходження електронів через ці білкові комплекси призводить до поступового вивільнення енергії, яка згодом використовується при генерації АТФ хіміоосмотиками. Важливо, що остання ланцюгова реакція має необоротний тип.

У еукаріотичних організмах, які мають надклітинні відділення, елементи транспортерної ланцюга прикріплені до мембрани мітохондрій. У прокаріотів, яким не вистачає цих відділень, елементи ланцюга розташовані в плазматичній мембрані клітини.

Реакції цього ланцюга призводять до утворення АТФ за рахунок енергії, одержуваної витісненням водню через транспортери, до тих пір, поки він не дійде до кінцевого акцептора: кисню, реакції, яка виробляє воду.

Класи молекул-носіїв

Ланцюг складається з трьох варіантів конвеєрів. Перший клас - це флавопротеїни, що характеризуються наявністю флавіну. Цей тип транспортера може здійснювати два типи реакцій, як відновлення, так і окислення.

Другий тип складається з цитохромів. Ці білки мають гемогруппу (як гемоглобін), яка може представляти різні стани окислення.

Останній клас транспортерів - це убихінон, відомий також як коензим Q. Ці молекули не мають білкової природи.

Організми з аеробним диханням

Більшість живих організмів мають дихання аеробного типу. Це типово для еукаріотичних організмів (істот із справжнім ядром у своїх клітинах, відмежованих мембраною). Всі тварини, рослини та гриби дихають аеробним шляхом.

Тварини та грибки - гетеротрофні організми, а це означає, що «паливо», яке буде використовуватися в метаболічному шляху дихання, повинно активно споживатися в раціоні. На відміну від рослин, які мають здатність виробляти власну їжу за допомогою фотосинтезу.

Деякі пологи прокаріотів також потребують кисню для свого дихання. Зокрема, існують суворі аеробні бактерії - тобто вони ростуть лише в середовищі, багатому киснем, наприклад, псевдомонади.

Інші роди бактерій мають здатність змінювати свій метаболізм з аеробного на анаеробний на основі умов навколишнього середовища, таких як сальмонели. У прокаріотів важлива характеристика їх класифікації є аеробним або анаеробним.

Відмінності від анаеробного дихання

Протилежним процесом аеробного дихання є анаеробний режим. Найбільш очевидна різниця між ними - використання кисню як кінцевого акцептора електронів. Анаеробне дихання використовує інші неорганічні молекули як акцептори.

Крім того, при анаеробному диханні кінцевим продуктом реакцій є молекула, яка все ще має потенціал продовжувати окислюватися. Наприклад, молочна кислота, що утворюється в м’язах під час бродіння. На відміну від цього, кінцевими продуктами аеробного дихання є вуглекислий газ і вода.

Існують також відмінності з енергетичної точки зору. В анаеробному шляху виробляються лише дві молекули АТФ (що відповідають гліколітичному шляху), тоді як при аеробному диханні кінцевий продукт, як правило, становить близько 38 молекул АТФ - що є суттєвою різницею.

Список літератури

1. Кемпбелл, МК, і Фаррелл, SO (2011). Біохімія. Шосте видання. Томсон. Брукс / Коул.
2. Кертіс, Х. (2006). Запрошення на біологію. Шосте видання. Буенос-Айрес: Панамериканський медичний.
3. Estrada, E & Aranzábal, M. (2002). Атлас гістології хребетних. Національний автономний університет Мексики. Сторінка 173.
4. Холл, Дж. (2011). Договір медичної фізіології. Нью-Йорк: Ельзев'є Науки про здоров'я.
5. Харіша, С. (2005). Вступ до практичної біотехнології. Нью-Делі: Медіа брандмауера.
6. Хілл, Р. (2006). Фізіологія тварин. Мадрид: Панамериканський медичний.
7. Iglesias, B., Martín, M. & Prieto, J. (2007). Основи фізіології. Мадрид: Тебар.
8. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Біохімія: текст та атлас. Panamerican Medical Ed.
9. Васудеван, Д. і Срікумарі С. (2012). Текст біохімії для студентів-медиків. Шосте видання. Мексика: JP Medical Ltd.