กระบวนการและชนิดของการหายใจของเซลลูล่าร์

การหายใจของเซลล์ มันเป็นกระบวนการที่สร้างพลังงานในรูปแบบของ ATP (adenosine triphosphate) จากนั้นพลังงานนี้จะถูกส่งไปยังกระบวนการเซลล์อื่น ๆ ในระหว่างปรากฏการณ์นี้โมเลกุลที่ได้รับการออกซิเดชั่นและตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายคือในกรณีส่วนใหญ่โมเลกุลอนินทรีย์.

ธรรมชาติของตัวรับอิเล็กตรอนตัวสุดท้ายขึ้นอยู่กับชนิดของการหายใจของสิ่งมีชีวิตที่ศึกษา ใน aerobes - เหมือน Homo sapiens - ตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้ายคือออกซิเจน ในทางตรงกันข้ามสำหรับผู้ที่มีระบบหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนออกซิเจนอาจเป็นพิษได้ ในกรณีสุดท้ายนี้ตัวรับสุดท้ายคือโมเลกุลอนินทรีย์แตกต่างจากออกซิเจน.

การหายใจแบบแอโรบิคได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางโดยนักชีวเคมีและประกอบด้วยสองขั้นตอน: วงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน.

ในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตเครื่องจักรทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการหายใจนั้นเกิดขึ้นภายในไมโตคอนเดรียทั้งในไมโตคอนเดรียและในระบบเมมเบรนของออร์แกเนลล์นี้.

เครื่องจักรประกอบด้วยเอนไซม์ที่กระตุ้นปฏิกิริยาของกระบวนการ เชื้อสายโปรคาริโอตมีลักษณะเฉพาะโดยไม่มีออร์แกเนลล์ ด้วยเหตุนี้การหายใจจึงเกิดขึ้นในบริเวณที่เฉพาะเจาะจงของเมมเบรนพลาสม่าซึ่งจำลองสภาพแวดล้อมคล้ายกับไมโตคอนเดรีย.

ดัชนี

• 1 คำศัพท์
• 2 การหายใจของเซลล์เกิดขึ้นที่ไหน??
  • 2.1 ที่ตั้งของการหายใจในยูคาริโอต
  • 2.2 จำนวนไมโตคอนเดรีย
  • 2.3 สถานที่ตั้งของการหายใจ prokaryotic
• 3 ประเภท
  • 3.1 การหายใจแบบใช้ออกซิเจน
  • 3.2 การหายใจแบบ Anerbic
  • 3.3 ตัวอย่างสิ่งมีชีวิตแบบไม่ใช้ออกซิเจน
• 4 กระบวนการ
  • 4.1 The Krebs cycle
  • 4.2 ปฏิกิริยาของวงจร Krebs
  • 4.3 ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน
  • 4.4 การมีเพศสัมพันธ์ทางเคมี
  • 4.5 จำนวน ATP ที่เกิดขึ้น
• 5 ฟังก์ชั่น
• 6 อ้างอิง

คำศัพท์

ในสาขาสรีรวิทยาคำว่า "การหายใจ" มีคำจำกัดความสองประการ: การหายใจของปอดและการหายใจของเซลล์ เมื่อเราใช้การหายใจคำในชีวิตประจำวันเราหมายถึงประเภทแรก.

ปอดหายใจเกี่ยวข้องกับการกระทำของแรงบันดาลใจและหมดอายุกระบวนการนี้ส่งผลในการแลกเปลี่ยนก๊าซ: ออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ คำที่ถูกต้องสำหรับปรากฏการณ์นี้คือ "การระบายอากาศ".

ในทางตรงกันข้ามการหายใจของเซลล์นั้นเกิดขึ้นตามชื่อที่แสดงถึงภายในเซลล์และเป็นกระบวนการที่รับผิดชอบในการสร้างพลังงานผ่านห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน กระบวนการสุดท้ายนี้เป็นกระบวนการที่จะกล่าวถึงในบทความนี้.

การหายใจของเซลล์เกิดขึ้นที่ไหน??

ตำแหน่งของการหายใจในยูคาริโอต

การหายใจของเซลล์เกิดขึ้นในอวัยวะที่ซับซ้อนเรียกว่าไมโตคอนเดรีย โครงสร้างไมโตคอนเดรียมีความกว้าง 1.5 ไมโครเมตรและยาว 2 ถึง 8 พวกเขามีลักษณะโดยมีสารพันธุกรรมของตัวเองและโดยการแบ่งโดยฟิชชันแบบไบนารี - ลักษณะร่องรอยของต้นกำเนิด endosymbiotic ของพวกเขา.

พวกเขามีสองเมมเบรนหนึ่งเรียบและภายในที่มีรอยพับที่สันเขา ยิ่งไมโตคอนเดรียเคลื่อนไหวเร็วเท่าไหร่ก็จะยิ่งมียอดมากขึ้นเท่านั้น.

ภายในของไมโตคอนเดรียเรียกว่าไมโตคอนเดรียเมทริกซ์ ในช่องนี้คือเอนไซม์, โคเอนไซม์, น้ำและฟอสเฟตที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาทางเดินหายใจ.

เยื่อหุ้มชั้นนอกช่วยให้โมเลกุลเล็ก ๆ ผ่านได้ อย่างไรก็ตามเยื่อหุ้มชั้นในนั้นเป็นสิ่งที่ จำกัด การส่งผ่านของขนย้ายที่เฉพาะเจาะจงมาก ๆ การซึมผ่านของโครงสร้างนี้มีบทบาทพื้นฐานในการผลิต ATP.

จำนวนไมโตคอนเดรีย

เอนไซม์และส่วนประกอบอื่น ๆ ที่จำเป็นสำหรับการหายใจของเซลล์นั้นจะพบอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์และปลอดในเมทริกซ์ยล.

ดังนั้นเซลล์ที่ต้องใช้พลังงานในปริมาณที่มากกว่านั้นมีลักษณะเป็นไมโตคอนเดรียจำนวนมากตรงกันข้ามกับเซลล์ที่ต้องการพลังงานต่ำ.

ยกตัวอย่างเช่นเซลล์ตับมีค่าเฉลี่ย 2,500 ไมโตคอนเดรียในขณะที่เซลล์กล้ามเนื้อ (เมตาบอลิซึมที่ทำงานมาก) มีจำนวนมากและไมโทคอนเดรียในเซลล์ประเภทนี้มีขนาดใหญ่กว่า.

นอกจากนี้สิ่งเหล่านี้จะอยู่ในพื้นที่เฉพาะที่จำเป็นต้องใช้พลังงานเช่นรอบตัวอสุจิ flagellum.

ตำแหน่งของการหายใจแบบ prokaryotic

เหตุผลสิ่งมีชีวิตโปรคาริโอตจำเป็นต้องหายใจและสิ่งเหล่านี้ไม่มีไมโตคอนเดรีย - หรือลักษณะที่ซับซ้อนของยูคาริโอตของยูคาริโอต ด้วยเหตุนี้กระบวนการทางเดินหายใจจึงเกิดขึ้นในการบุกรุกของพลาสมาเมมเบรนขนาดเล็กคล้ายกับไมโทคอนเดรีย.

ชนิด

การหายใจมีสองประเภทพื้นฐานขึ้นอยู่กับโมเลกุลที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับสุดท้ายของอิเล็กตรอน ในการหายใจแบบใช้ออกซิเจนตัวรับออกซิเจนคือในขณะที่หายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนมันเป็นโมเลกุลอนินทรีย์ - แม้ว่าในบางกรณีที่พบได้ยากผู้ยอมรับก็คือโมเลกุลอินทรีย์ ต่อไปเราจะอธิบายรายละเอียดแต่ละอัน:

แอโรบิกหายใจ

ในสิ่งมีชีวิตที่มีการหายใจแบบใช้ออกซิเจนตัวรับสุดท้ายของอิเล็กตรอนคือออกซิเจน ขั้นตอนที่เกิดขึ้นแบ่งออกเป็นวงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน.

คำอธิบายโดยละเอียดของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นในเส้นทางชีวเคมีเหล่านี้จะได้รับการพัฒนาในส่วนต่อไปนี้.

การหายใจแบบไร้อากาศ

ตัวรับสุดท้ายประกอบด้วยโมเลกุลอื่นที่ไม่ใช่ออกซิเจน จำนวน ATP ที่เกิดจากการหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจนนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการรวมถึงสิ่งมีชีวิตที่ศึกษาและเส้นทางที่ใช้.

อย่างไรก็ตามการผลิตพลังงานมักจะสูงกว่าในการหายใจแบบแอโรบิคเนื่องจากวงจร Krebs ใช้งานได้เพียงบางส่วนเท่านั้นและไม่ใช่โมเลกุลขนย้ายทั้งหมดในห่วงโซ่ที่มีส่วนร่วมในการหายใจ

ด้วยเหตุนี้การเติบโตและการพัฒนาของผู้ที่ไม่ใช้ออกซิเจนจึงต่ำกว่าแอโรบิกอย่างมาก.

ตัวอย่างของสิ่งมีชีวิตแบบไม่ใช้ออกซิเจน

ในออกซิเจนสิ่งมีชีวิตบางชนิดมีพิษและถูกเรียกว่า anaerobes ที่เข้มงวด ตัวอย่างที่รู้จักกันดีที่สุดคือแบคทีเรียที่ทำให้เกิดบาดทะยักและโรคโบทูลิซึม: Clostridium.

นอกจากนี้ยังมีสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ที่สามารถสลับกันระหว่างการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและแบบไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งเรียกว่าแบบไม่ใช้ออกซิเจนแบบใช้ปัญญา กล่าวอีกนัยหนึ่งพวกเขาใช้ออกซิเจนเมื่อมันเหมาะสมกับพวกเขาและในกรณีที่ไม่มีพวกเขาหันไปใช้การหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน ตัวอย่างเช่นแบคทีเรียที่รู้จักกันดี Escherichia coli มีเมตาบอลิซึมนี้.

แบคทีเรียบางตัวสามารถใช้ไนเตรตไอออน₃^-) เป็นตัวรับสุดท้ายของอิเล็กตรอนเช่นประเภทของ Pseudomonas และ บาซิลลัส. ไอออนนี้สามารถลดลงเป็นไนไตรต์ไอออนไนตรัสออกไซด์หรือก๊าซไนโตรเจน.

ในกรณีอื่น ๆ ตัวรับสุดท้ายประกอบด้วยไอออนซัลเฟต (SO₄^2-) ซึ่งก่อให้เกิดไฮโดรเจนซัลไฟด์และซึ่งใช้คาร์บอเนตเป็นมีเธน ชนิดของแบคทีเรีย Desulfovibrio เป็นตัวอย่างของตัวรับประเภทนี้.

การรับอิเล็กตรอนในโมเลกุลไนเตรตและซัลเฟตเป็นสิ่งสำคัญในวงจร biogeochemical ของสารประกอบเหล่านี้ - ไนโตรเจนและซัลเฟอร์.

กระบวนการ

Glycolysis เป็นเส้นทางก่อนหน้าในการหายใจของเซลล์ มันเริ่มต้นด้วยโมเลกุลกลูโคสและผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือไพรูเวตซึ่งเป็นโมเลกุลสามคาร์บอน Glycolysis เกิดขึ้นในไซโตพลาสซึมของเซลล์ โมเลกุลนี้จะต้องสามารถเข้าสู่ไมโตคอนเดรียเพื่อที่จะย่อยสลายต่อไป.

ไพรูเวตสามารถกระจายโดยการไล่ระดับความเข้มข้นไปยังออร์แกเนลล์ผ่านรูขุมขนของเยื่อหุ้มเซลล์ จุดหมายสุดท้ายจะเป็นเมทริกซ์ของไมโตคอนเดรีย.

ก่อนเข้าสู่ขั้นตอนแรกของการหายใจของเซลล์โมเลกุล pyruvate ผ่านการดัดแปลงบางอย่าง.

ขั้นแรกมันทำปฏิกิริยากับโมเลกุลที่เรียกว่าโคเอ็นไซม์เอแต่ละไพรูจะถูกแยกออกเป็นคาร์บอนไดออกไซด์และในกลุ่มอะเซทิลซึ่งจับกับโคเอ็นไซม์เอ.

ในปฏิกิริยานี้อิเล็กตรอนสองตัวและหนึ่งไฮโดรเจนไอออนจะถูกถ่ายโอนไปยัง NADP⁺, ให้ผล NADH และเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ pyruvate dehydrogenase ที่ซับซ้อน ปฏิกิริยาต้องการชุดของปัจจัย.

หลังจากการดัดแปลงนี้สองขั้นตอนภายในการหายใจเริ่มต้นขึ้น: วงจร Krebs และห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน.

วงจร Krebs

วงจร Krebs เป็นหนึ่งในปฏิกิริยาวงจรที่สำคัญที่สุดในชีวเคมี เป็นที่รู้จักกันในวรรณกรรมว่าวัฏจักรกรดซิตริกหรือวัฏจักรกรด tricarboxylic (TCA).

ได้รับชื่อในเกียรติของผู้ค้นพบ: นักชีวเคมีชาวเยอรมัน Hans Krebs ในปีพ. ศ. 2496 Krebs ได้รับรางวัลโนเบลเนื่องจากการค้นพบครั้งนี้ซึ่งเป็นเครื่องหมายของสาขาวิชาชีวเคมี.

วัตถุประสงค์ของวัฏจักรคือการปลดปล่อยพลังงานทีละน้อยในอะซิติลโคเอ็นไซม์เอมันประกอบด้วยชุดของปฏิกิริยาออกซิเดชั่นและการลดทอนซึ่งถ่ายโอนพลังงานไปยังโมเลกุลต่าง ๆ ส่วนใหญ่ไปยัง NAD⁺.

สำหรับทุก ๆ สองโมเลกุลของ acetyl coenzyme A ที่เข้าสู่วงจรสี่โมเลกุลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกปล่อยออกมาหกโมเลกุลของ NADH และสองของ FADH ถูกสร้าง₂. บริษัท₂ มันถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศซึ่งเป็นสารที่เสียของกระบวนการ สร้าง GTP ด้วย.

เนื่องจากเส้นทางนี้มีส่วนร่วมในกระบวนการ anabolic (การสังเคราะห์โมเลกุล) และกระบวนการ catabolic (การย่อยสลายโมเลกุล) จึงเรียกว่า "amphibolic".

ปฏิกิริยาของวงจร Krebs

วัฏจักรเริ่มต้นด้วยการหลอมรวมของโมเลกุลของ acetyl coenzyme A กับโมเลกุล oxaloacetate การรวมตัวนี้ส่งผลให้เกิดโมเลกุลหกคาร์บอน: ซิเตรต ดังนั้นโคเอ็นไซม์เอจึงถูกปล่อยออกมาจริงๆแล้วมันกลับมาใช้ซ้ำเป็นจำนวนมาก หากมี ATP จำนวนมากในเซลล์ขั้นตอนนี้จะถูกยับยั้ง.

ปฏิกิริยาข้างต้นต้องการพลังงานและได้มาจากการสลายพันธะพลังงานสูงระหว่างกลุ่มอะเซทิลและโคเอนไซม์.

ซิเตรตจะผ่านไปยัง cis aconitato และเกิดขึ้นกับ isocitrato โดย aconitasa ของเอนไซม์ ขั้นตอนต่อไปคือการแปลงไอโซซิเตรทเป็นอัลฟา ketoglutarate โดยไอไฮโดรจิเนต dehydrogenated ขั้นตอนนี้เกี่ยวข้องเนื่องจากนำไปสู่การลด NADH และปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์.

อัลฟ่า ketoglutarate ถูกแปลงเป็นซัคซินโคเอ็นไซม์ A โดยอัลฟา ketoglutarate dehydrogenase ซึ่งใช้โคแฟคเตอร์เดียวกันกับ pyruvate kinase ในขั้นตอนนี้ NADH จะถูกสร้างขึ้นและในขั้นตอนเริ่มต้นจะถูกยับยั้งโดย ATP ส่วนเกิน.

ผลิตภัณฑ์ต่อไปคือ succinate ในการผลิตการก่อตัวของ GTP เกิดขึ้น succinate ผ่านไปยัง fumarate ปฏิกิริยานี้ให้ผล FADH ในทางกลับกัน fumarate กลายเป็น malate และออกซาเลตในที่สุด.

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนมีจุดมุ่งหมายที่จะนำอิเล็กตรอนจากสารประกอบที่สร้างขึ้นในขั้นตอนก่อนหน้าเช่น NADH และ FADH₂, ที่อยู่ในระดับพลังงานสูงและนำพวกเขาไปสู่ระดับพลังงานที่ต่ำกว่า.

การลดลงของพลังงานเกิดขึ้นทีละขั้นตอนนั่นคือมันจะไม่เกิดขึ้นทันที ประกอบด้วยชุดของขั้นตอนที่เกิดปฏิกิริยาการลดออกซิเดชัน.

ส่วนประกอบหลักของห่วงโซ่นี้เป็นสารประกอบเชิงซ้อนที่เกิดขึ้นจากโปรตีนและเอนไซม์ควบคู่ไปกับไซโตโครม: metalloporphyrins ของประเภท heme.

ไซโตโครมนั้นมีความคล้ายคลึงกันในแง่ของโครงสร้างแม้ว่าแต่ละอันจะมีลักษณะเฉพาะที่ช่วยให้สามารถทำหน้าที่เฉพาะภายในห่วงโซ่ร้องเพลงอิเล็กตรอนในระดับพลังงานที่แตกต่างกัน.

การกระจัดของอิเล็กตรอนผ่านทางระบบหายใจไปยังระดับที่ต่ำกว่าทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงาน พลังงานนี้สามารถใช้ใน mitochondria เพื่อสังเคราะห์ ATP ในกระบวนการที่เรียกว่า oxidative phosphorylation.

การมีเพศสัมพันธ์ทางเคมี

เป็นเวลานานกลไกการก่อตัวของ ATP ในห่วงโซ่เป็นปริศนาจนกระทั่งนักชีวเคมี Peter Mitchell เสนอการมีเพศสัมพันธ์ทางเคมี.

ในปรากฏการณ์นี้มีการสร้างการไล่ระดับโปรตอนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ยลภายใน พลังงานที่มีอยู่ในระบบนี้จะถูกปล่อยออกมาและใช้ในการสังเคราะห์ ATP.

จำนวนของ ATP ที่เกิดขึ้น

อย่างที่เราเห็น ATP ไม่ได้ขึ้นรูปโดยตรงในวงจร Krebs แต่ในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน สำหรับอิเล็กตรอนทุกสองตัวที่ผ่านจาก NADH ไปจนถึงออกซิเจนจะเกิดการสังเคราะห์ของสามโมเลกุลของ ATP การประมาณนี้อาจแตกต่างกันเล็กน้อยขึ้นอยู่กับวรรณกรรมที่พิจารณา.

ในทำนองเดียวกันสำหรับทุก ๆ สองอิเล็กตรอนที่ผ่านมาจาก FADH₂, เกิดสองโมเลกุลของ ATP.

ฟังก์ชั่น

หน้าที่หลักของการหายใจของเซลล์คือการสร้างพลังงานในรูปแบบของ ATP เพื่อนำไปยังหน้าที่ของเซลล์.

ทั้งสัตว์และพืชต้องการสกัดพลังงานเคมีที่มีอยู่ในโมเลกุลอินทรีย์ที่ใช้เป็นอาหาร ในกรณีของผักโมเลกุลเหล่านี้คือน้ำตาลที่พืชชนิดเดียวกันสังเคราะห์กับการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในกระบวนการสังเคราะห์แสงที่มีชื่อเสียง.

ในทางกลับกันสัตว์ไม่สามารถสังเคราะห์อาหารของตัวเองได้ ดังนั้น heterotrophs กินอาหารในอาหาร - เช่นเรา กระบวนการออกซิเดชันมีหน้าที่ในการสกัดพลังงานจากอาหาร.

เราจะต้องไม่สับสนเกี่ยวกับหน้าที่ของการสังเคราะห์ด้วยแสงกับการหายใจ พืชเช่นเดียวกับสัตว์ก็หายใจด้วย ทั้งสองกระบวนการเสริมและรักษาพลวัตของโลกที่มีชีวิต.

การอ้างอิง

1. Alberts, B. , & Bray, D. (2006). ชีววิทยาของเซลล์เบื้องต้น. Ed. Panamericana การแพทย์.
2. Audesirk, T. , Audesirk, G. , & Byers, B. E. (2003). ชีววิทยา: ชีวิตบนโลก. การศึกษาเพียร์สัน.
3. Curtis, H. , & Schnek, A. (2008). เคอร์ติ ชีววิทยา. Ed. Panamericana การแพทย์.
4. Hickman, C. P. , Roberts, L.S. , Larson, A. , Ober, W.C. , & Garrison, C. (2007). หลักการบูรณาการทางสัตววิทยา. McGraw-Hill.
5. Randall, D. , Burggren, W. , ฝรั่งเศส, K. , & Eckert, R. (2002). Eckert สรีรวิทยาสัตว์. Macmillan.
6. Tortora, G. J. , Funke, B. R. , และ Case, C. L. (2007). จุลชีววิทยาเบื้องต้น. Ed. Panamericana การแพทย์.
7. Young, B. , Heath, J.W. , Lowe, J.S. , Stevens, A. , & Wheater, P.R. (2000). หน้าที่การใช้งาน: แผนที่ข้อความและสี. พอร์ตฮาร์คอร์ต.