ODDYCHANIE TLENOWE: CHARAKTERYSTYKA, STADIA I ORGANIZMY - BIOLOGIA - 2026

Oddychanie tlenowych lub aerobowy to proces biologiczny, który polega na uzyskiwaniu energii cząsteczek organicznych - przede wszystkim glukoza - szeregiem reakcji utleniania, gdy końcowy akceptor elektronów jest tlen.

Proces ten występuje u większości istot organicznych, szczególnie u eukariontów. Wszystkie zwierzęta, rośliny i grzyby oddychają tlenowo. Ponadto niektóre bakterie wykazują również metabolizm tlenowy.

U eukariotów mechanizm oddychania komórkowego znajduje się w mitochondriach.
Źródło: National Human Genome Research Institute (NHGRI) z Bethesda, MD, USA, za pośrednictwem Wikimedia Commons

Generalnie proces pozyskiwania energii z cząsteczki glukozy dzieli się na glikolizę (ten etap jest powszechny zarówno w szlaku tlenowym, jak i beztlenowym), cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów.

Koncepcja oddychania tlenowego jest przeciwieństwem oddychania beztlenowego. W tym drugim przypadku ostatecznym akceptorem elektronów jest inna substancja nieorganiczna, inna niż tlen. Jest to typowe dla niektórych prokariotów.

Co to jest tlen?

Przed omówieniem procesu oddychania tlenowego konieczne jest poznanie pewnych aspektów cząsteczki tlenu.

Jest to pierwiastek chemiczny reprezentowany w układzie okresowym z literą O i liczbą atomową 8. W standardowych warunkach temperatury i ciśnienia tlen ma tendencję do wiązania się parami, dając początek cząsteczce tlenu.

Ten gaz, składający się z dwóch atomów tlenu, nie ma koloru, zapachu ani smaku i jest reprezentowany przez wzór O ₂ . W atmosferze jest ważnym składnikiem i jest niezbędny do podtrzymania większości form życia na Ziemi.

Dzięki gazowemu charakterowi tlenu cząsteczka może swobodnie przekraczać błony komórkowe - zarówno zewnętrzną, oddzielającą komórkę od środowiska pozakomórkowego, jak i błony przedziałów subkomórkowych, w tym mitochondriów.

Charakterystyka oddychania

Komórki wykorzystują cząsteczki, które wchłaniamy w naszej diecie, jako rodzaj „paliwa” oddechowego.

Oddychanie komórkowe jest procesem generującym energię w postaci cząsteczek ATP, w którym cząsteczki, które mają zostać zdegradowane, ulegają utlenieniu, a ostatecznym akceptorem elektronów jest w większości przypadków cząsteczka nieorganiczna.

Istotną cechą umożliwiającą zachodzenie procesów oddychania jest obecność łańcucha transportu elektronów. W oddychaniu tlenowym ostatecznym akceptorem elektronów jest cząsteczka tlenu.

W normalnych warunkach tymi „paliwami” są węglowodany lub węglowodany i tłuszcze lub lipidy. Kiedy organizm wpada w niepewne warunki z powodu braku pożywienia, ucieka się do stosowania białek, aby spróbować zaspokoić swoje zapotrzebowanie na energię.

Słowo „oddychanie” jest częścią naszego słownictwa w życiu codziennym. Czynność wciągania powietrza do płuc w ciągłych cyklach wydechów i wdechów nazywamy oddychaniem.

Jednak w formalnym kontekście nauk przyrodniczych takie działanie określa się mianem wentylacji. Zatem termin oddychanie jest używany w odniesieniu do procesów zachodzących na poziomie komórkowym.

Procesy (etapy)

Etapy oddychania tlenowego obejmują niezbędne kroki, aby wydobyć energię z cząsteczek organicznych - w tym przypadku opiszemy przypadek cząsteczki glukozy jako paliwa oddechowego - aż dotrze ona do akceptora tlenu.

Ten złożony szlak metaboliczny dzieli się na glikolizę, cykl Krebsa i łańcuch transportu elektronów:

Glikoliza

Rysunek 1: Glikoliza a glukoneogeneza. Reakcje i zaangażowane enzymy.

Pierwszym etapem rozkładu monomeru glukozy jest glikoliza, zwana również glikolizą. Ten etap nie wymaga bezpośrednio tlenu i jest obecny praktycznie we wszystkich żywych istotach.

Celem tego szlaku metabolicznego jest rozszczepienie glukozy na dwie cząsteczki kwasu pirogronowego, otrzymanie dwóch cząsteczek energii netto (ATP) i redukcja dwóch cząsteczek NAD ⁺ .

W obecności tlenu szlak może kontynuować do cyklu Krebsa i łańcucha transportu elektronów. W przypadku braku tlenu cząsteczki podążałyby drogą fermentacji. Innymi słowy, glikoliza jest powszechnym szlakiem metabolicznym w oddychaniu tlenowym i beztlenowym.

Przed cyklem Krebsa musi nastąpić oksydacyjna dekarboksylacja kwasu pirogronowego. W tym etapie pośredniczy bardzo ważny kompleks enzymów, zwany dehydrogenazą pirogronianową, który przeprowadza wspomnianą reakcję.

W ten sposób pirogronian staje się rodnikiem acetylowym, który jest następnie wychwytywany przez koenzym A, który jest odpowiedzialny za transport go do cyklu Krebsa.

cykl Krebsa

Cykl Krebsa, znany również jako cykl kwasu cytrynowego lub cykl kwasu trikarboksylowego, składa się z serii reakcji biochemicznych katalizowanych przez określone enzymy, które dążą do stopniowego uwalniania energii chemicznej zmagazynowanej w acetylokoenzymie A.

Jest to ścieżka, która całkowicie utlenia cząsteczkę pirogronianu i zachodzi w macierzy mitochondriów.

Cykl ten opiera się na serii reakcji utleniania i redukcji, które przenoszą energię potencjalną w postaci elektronów na pierwiastki je akceptujące, w szczególności na cząsteczkę NAD ⁺ .

Podsumowanie cyklu Krebsa

Każda cząsteczka kwasu pirogronowego rozpada się na dwutlenek węgla i cząsteczkę dwuwęglową, zwaną grupą acetylową. Wraz z połączeniem z koenzymem A (wspomnianym w poprzedniej sekcji) powstaje kompleks acetylokoenzymu A.

Dwa węgle kwasu pirogronowego wchodzą do cyklu, kondensują się ze szczawiooctanem i tworzą sześciowęglową cząsteczkę cytrynianu. W ten sposób zachodzą reakcje oksydacyjne. Cytrynian powraca do szczawiooctanu z teoretyczną produkcją 2 moli dwutlenku węgla, 3 moli NADH, 1 mola FADH ₂ i 1 mola GTP.

Ponieważ w wyniku glikolizy powstają dwie cząsteczki pirogronianu, jedna cząsteczka glukozy obejmuje dwa obroty cyklu Krebsa.

Łańcuch transportu elektronów

Łańcuch transportu elektronów składa się z sekwencji białek, które mają zdolność przeprowadzania reakcji utleniania i redukcji.

Przejście elektronów przez te kompleksy białkowe powoduje stopniowe uwalnianie energii, która jest następnie wykorzystywana do wytwarzania ATP przez chemoosmotyki. Co ważne, ostatnia reakcja łańcuchowa ma charakter nieodwracalny.

W organizmach eukariotycznych, które mają przedziały subkomórkowe, elementy łańcucha transporterowego są zakotwiczone w błonie mitochondriów. U prokariotów, którym brakuje tych przedziałów, elementy łańcucha znajdują się w błonie komórkowej komórki.

Reakcje tego łańcucha prowadzą do powstania ATP, poprzez energię uzyskaną podczas przemieszczania wodoru przez transportery, aż dotrze on do ostatecznego akceptora: tlenu, reakcji, w której powstaje woda.

Klasy cząsteczek nośnikowych

Łańcuch składa się z trzech wariantów przenośników. Pierwsza klasa to flawoproteiny, charakteryzujące się obecnością flawiny. Ten typ transportera może na przemian przeprowadzać dwa typy reakcji, zarówno redukcję, jak i utlenianie.

Drugi typ składa się z cytochromów. Białka te mają grupę hemową (podobnie jak hemoglobina), która może wykazywać różne stopnie utlenienia.

Ostatnią klasą transporterów jest ubichinon, znany również jako koenzym Q. Te cząsteczki nie są z natury białkami.

Organizmy z oddychaniem tlenowym

Większość organizmów żywych ma oddychanie tlenowe. Jest to typowe dla organizmów eukariotycznych (istot z prawdziwym jądrem komórkowym, ograniczonym błoną). Wszystkie zwierzęta, rośliny i grzyby oddychają tlenowo.

Zwierzęta i grzyby to organizmy heterotroficzne, co oznacza, że ​​„paliwo”, które będzie wykorzystywane w metabolicznej drodze oddychania, musi być aktywnie spożywane w diecie. W przeciwieństwie do roślin, które mają zdolność do produkcji własnego pożywienia poprzez fotosyntezę.

Niektóre rodzaje prokariontów również potrzebują tlenu do oddychania. W szczególności istnieją bakterie ściśle tlenowe - to znaczy, że rosną tylko w środowiskach bogatych w tlen, takich jak Pseudomonas.

Inne rodzaje bakterii mają zdolność zmiany swojego metabolizmu z tlenowego na beztlenowy w zależności od warunków środowiskowych, takich jak salmonella. U prokariotów bycie tlenowym lub beztlenowym jest ważną cechą ich klasyfikacji.

Różnice w porównaniu z oddychaniem beztlenowym

Odwrotnym procesem do oddychania tlenowego jest tryb beztlenowy. Najbardziej oczywistą różnicą między nimi jest użycie tlenu jako końcowego akceptora elektronów. Oddychanie beztlenowe wykorzystuje inne cząsteczki nieorganiczne jako akceptory.

Ponadto w przypadku oddychania beztlenowego produktem końcowym reakcji jest cząsteczka, która nadal ma potencjał do dalszego utleniania. Na przykład kwas mlekowy tworzy się w mięśniach podczas fermentacji. Natomiast końcowymi produktami oddychania tlenowego są dwutlenek węgla i woda.

Istnieją również różnice z energetycznego punktu widzenia. W szlaku beztlenowym wytwarzane są tylko dwie cząsteczki ATP (odpowiadające szlakowi glikolitycznemu), podczas gdy w oddychaniu tlenowym produktem końcowym jest ogólnie około 38 cząsteczek ATP - co jest znaczącą różnicą.

Bibliografia

1. Campbell, MK i Farrell, SO (2011). Biochemia. Szósta edycja. Thomson. Brooks / Cole.
2. Curtis, H. (2006). Zaproszenie na biologię. Szósta edycja. Buenos Aires: Pan-American Medical.
3. Estrada, E & Aranzábal, M. (2002). Atlas histologii kręgowców. Narodowy Autonomiczny Uniwersytet Meksyku. Strona 173.
4. Hall, J. (2011). Traktat Fizjologii Lekarskiej. Nowy Jork: Elsevier Health Sciences.
5. Harisha, S. (2005). Wprowadzenie do praktycznej biotechnologii. New Delhi: Firewall Media.
6. Hill, R. (2006). Fizjologia zwierząt. Madryt: Pan-American Medical.
7. Iglesias, B., Martín, M. & Prieto, J. (2007). Podstawy fizjologii. Madryt: Tebar.
8. Koolman, J. i Röhm, KH (2005). Biochemia: tekst i atlas. Panamerican Medical Ed.
9. Vasudevan, D. i Sreekumari S. (2012). Tekst biochemii dla studentów medycyny. Szósta edycja. Meksyk: JP Medical Ltd.