RESPIRAȚIA CELULARĂ: PROCES, TIPURI ȘI FUNCȚII - BIOLOGIE - 2024

Respirația celulară este un proces care generează energie sub sub formă de ATP (adenozin trifosfat). Ulterior, această energie este îndreptată către alte procese celulare. În timpul acestui fenomen, moleculele suferă oxidare, iar acceptorul final al electronilor este, în majoritatea cazurilor, o moleculă anorganică.

Natura acceptorului final al electronilor depinde de tipul de respirație al organismului studiat. În aerobi - ca Homo sapiens - acceptorul final al electronilor este oxigenul. În schimb, pentru respiratorii anaerobi, oxigenul poate fi toxic. În ultimul caz, acceptorul final este o moleculă anorganică, alta decât oxigenul.

Sursa: De Darekk2, de la Wikimedia Commons

Respirația aerobă a fost studiată pe larg de biochimiști și constă în două etape: ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor.

În organismele eucariote, toate echipamentele necesare pentru a avea loc respirația se află în interiorul mitocondriilor, atât în ​​matricea mitocondrială, cât și în sistemul membranar al acestei organe.

Utilajul este format din enzime care catalizează reacțiile procesului. Linia procariotă se caracterizează prin absența organelelor; Din acest motiv, respirația apare în regiuni specifice ale membranei plasmatice care simulează un mediu foarte similar cu cel al mitocondriilor.

Terminologie

În domeniul fiziologiei, termenul „respirație” are două definiții: respirația pulmonară și respirația celulară. Când folosim cuvântul suflare 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 îi spune și numele - în interiorul celulelor și este procesul însărcinat cu generarea de energie printr-un lanț de transport de electroni. Acest ultim proces este cel despre care vom discuta în acest articol.

Unde apare respirația celulară?

Localizarea respirației în eucariote

mitocondriile

Respirația celulară are loc într-un organel complex numit mitocondrii. Structural, mitocondriile au 1,5 microni lățimea și 2 până la 8 microni. Acestea se caracterizează prin faptul că au propriul material genetic și prin împărțirea prin fisiune binară - caracteristicile vestigiale ale originii lor endosimbiotice.

Au două membrane, o netedă și una internă cu pliuri care formează creste. Cu cât este mai activă mitocondria, cu atât are mai multe creste.

Interiorul mitocondriului se numește matricea mitocondrială. În acest compartiment se află enzimele, coenzimele, apa și fosfații necesari pentru reacțiile respiratorii.

Membrana exterioară permite trecerea majorității moleculelor mici. Cu toate acestea, membrana interioară este cea care restricționează efectiv trecerea prin transportoare foarte specifice. Permeabilitatea acestei structuri joacă un rol fundamental în producerea de ATP.

Numărul de mitocondrii

Enzimele și alte componente necesare respirației celulare se găsesc ancorate în membrane și libere în matricea mitocondrială.

Din acest motiv, celulele care necesită o cantitate mai mare de energie sunt caracterizate prin faptul că au un număr mare de mitocondrii, spre deosebire de celulele a căror necesitate energetică este mai mică.

De exemplu, celulele hepatice au, în medie, 2.500 mitocondrii, în timp ce o celulă musculară (foarte activă metabolic) conține un număr mult mai mare, iar mitocondriile de acest tip celular sunt mai mari.

În plus, acestea sunt localizate în anumite regiuni în care este necesară energie, de exemplu, înconjurarea flagelului spermei.

Localizarea respirației procariote

Logic, organismele procariote trebuie să respire și nu au mitocondrii - și nici organele complexe caracteristice eucariotei. Din acest motiv, procesul respirator are loc în invaginații mici ale membranei plasmatice, în mod analog modului în care se produce în mitocondrii.

Tipuri

Există două tipuri fundamentale de respirație, în funcție de molecula care a acționat ca acceptorul 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. Vă vom descrie fiecare în detaliu mai jos:

Respirație aerobică

În organismele respiratorii aerobice, acceptorul final pentru electroni este oxigenul. Etapele care au loc sunt împărțite în ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor.

Explicația detaliată a reacțiilor care au loc pe aceste căi biochimice va fi dezvoltată în secțiunea următoare.

Respiratia aneroba

Acceptantul final este format 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.

Exemple de organisme anaerobe

În unele organisme, oxigenul este toxic și se numesc anaerobe stricte. Cel mai cunoscut exemplu este cel al bacteriei care provoacă tetanos și botulism: Clostridium.

În plus, există și alte organisme care pot alterna între respirația aerobă și cea anaerobă, fiind numite anaerobe facultative. Cu alte cuvinte, folosesc oxigen atunci când li se potrivește și, în lipsa acestuia, recurg la respirația anaerobă. De exemplu, binecunoscuta bacterie Escherichia coli posedă acest metabolism.

Anumite bacterii pot folosi ionul de azot (NO ₃ ^- ) ca acceptor final al electronilor, precum genurile Pseudomonas și Bacillus. Ionul menționat poate fi redus la ion nitrit, oxid nitru sau gaz azotat.

În alte cazuri, acceptorul final este format din ionul sulfat (SO ₄ ^2- ) care dă naștere hidrogenului sulfurat și folosește carbonatul pentru a forma metan. Genul de bacterii Desulfovibrio este un exemplu de acest tip de acceptor.

Această recepție de electroni în molecule de nitrați și sulfați este crucială în ciclurile bioeochimice ale acestor compuși - azot și sulf.

Proces

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 intra în mitocondrii pentru a-și continua degradarea.

Piruvatul poate difuza prin gradienți de concentrare în organelă, 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 scindează în dioxidul de carbon și grupa acetil, care se leagă de coenzima A, dând naștere la complexul de coenzima A acetil.

În această reacție, doi electroni și un ion de hidrogen sunt transferați în NADP ⁺ , obținând NADH și este catalizat de complexul enzimatic piruvat dehidrogenază. Reacția necesită o serie de cofactori.

După această modificare, încep cele două etape ale respirației: ciclul Krebs și lanțul de transport al electronilor.

Ciclul Krebs

Ciclul Krebs este una dintre cele mai importante reacții ciclice în biochimie. Este cunoscut și în literatură ca ciclul acidului citric sau ciclul acidului tricarboxilic (TCA).

Este numit după descoperitorul 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 coenzima acetilică A. 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-coenzima A care intră în ciclu, sunt eliberate patru molecule de dioxid de carbon, sunt generate șase molecule de NADH și două de FADH ₂ . CO ₂ este eliberat în atmosferă ca o substanță reziduală din proces. GTP este, de asemenea, generat.

Deoarece această cale participă atât la procesele anabolice (sinteza moleculelor) cât și la cele catabolice (degradarea moleculelor), aceasta este denumită „amfibolic”.

Reacții ale ciclului Krebs

Ciclul începe cu fuziunea unei molecule de acetil-coenzima A cu o moleculă de oxaloacetat. Această uniune dă naștere unei molecule cu șase carbon: citrat. Astfel, se eliberează coenzima A. De fapt, este reutilizată de multe ori. Dacă în celulă există prea mult ATP, acest pas este inhibat.

Reacția de mai sus necesită energie și o obține prin ruperea legăturii de mare energie între grupa acetil și coenzima A.

Citratul este convertit în aconitat cis și este transformat în izocitrat de enzima aconitază. Următorul pas este transformarea izocitratului în alfa ketoglutarat prin izocitrat deshidrogenat. Această etapă este relevantă, deoarece duce la reducerea NADH și eliberează dioxid de carbon.

Alfa ketoglutaratul este convertit în succinil coenzima A de alfa ketoglutarat dehidrogenază, care utilizează aceiași cofactori ca piruvat 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 se schimbă la fumarat. Această reacție produce FADH. Fumaratul, la rândul său, devine malat și în final oxaloacetat.

Lanțul de transport de electroni

Obiectivul lanțului de transport de electroni este de a lua electronii din compușii generați în etapele anterioare, precum NADH și FADH ₂ , care se află la un nivel ridicat de energie și să-i conducă la un nivel de energie mai mic.

Această scădere a energiei se produce 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 la citocromuri: metaloporfirine tip heme.

Citocromele sunt destul de similare din punct de vedere al structurii 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 la 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.

Cuplaj chimosmotic

Multă vreme, mecanismul formării ATP în lanț a fost o enigmă, până când biochimistul Peter Mitchell a propus cuplarea chimosmotică.

În acest fenomen, un gradient de protoni este stabilit în întreaga membrană mitocondrială internă. Energia conținută în acest sistem este eliberată și utilizată pentru a sintetiza ATP.

Cantitatea de ATP formată

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 de ATP. Această estimare poate varia oarecum în funcție de literatura consultată.

În mod similar, pentru fiecare doi electroni care trec de la FADH ₂ , se formează două molecule de ATP.

Caracteristici

Principala funcție a respirației celulare este generarea de energie sub formă de ATP pentru a putea să o direcționeze către funcțiile celulei.

Atât animalele, cât și plantele trebuie să extragă energia chimică conținută în moleculele organice pe care le folosesc pentru alimente. În cazul legumelor, aceste molecule sunt zaharurile pe care planta le sintetizează prin utilizarea energiei solare în celebrul proces fotosintetic.

Pe de altă parte, animalele nu sunt capabile să-și sintetizeze propriul aliment. Astfel, heterotrofele consumă alimente în dietă - ca noi, de exemplu. Procesul de oxidare este responsabil de extragerea energiei din alimente.

Nu trebuie să confundăm funcțiile fotosintezei cu cele ale respirației. Plantele, ca și animalele, respiră. Ambele procese sunt complementare și mențin dinamica lumii vii.

Referințe

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Introducere în biologia celulară. Editura Medicală Panamericană.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologie: Viața pe Pământ. Educația Pearson.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologie. Editura Medicală Panamericană.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Principii integrate de zoologie. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., franceză, K., & Eckert, R. (2002). Fiziologia animalelor Eckert Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Introducere în microbiologie. Editura Medicală Panamericană.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Histologie funcțională: text și atlas în culori. Harcourt.