HÜCRESEL SOLUNUM: SÜREÇ, TÜRLER VE IŞLEVLER - BIYOLOJI - 2024

Hücresel solunum enerji üreten bir işlemdir , ATP (adenosin trifosfat) şeklinde. Daha sonra bu enerji diğer hücresel işlemlere yönlendirilir. Bu olay sırasında moleküller oksidasyona uğrar ve son elektron alıcısı çoğu durumda inorganik bir moleküldür.

Nihai elektron alıcısının doğası, incelenen organizmanın solunum türüne bağlıdır. Aeroblarda - Homo sapiens gibi - son elektron alıcısı oksijendir. Bunun aksine, anaerobik solunum maskeleri için oksijen toksik olabilir. İkinci durumda, son alıcı, oksijen dışında bir inorganik moleküldür.

Kaynak: Darekk2, Wikimedia Commons'tan

Aerobik solunum, biyokimyacılar tarafından kapsamlı bir şekilde incelenmiştir ve iki aşamadan oluşmaktadır: Krebs döngüsü ve elektron taşıma zinciri.

Ökaryotik organizmalarda, solunumun gerçekleşmesi için gerekli tüm mekanizma, hem mitokondriyal matrikste hem de bu organelin zar sisteminde mitokondrinin içindedir.

Makine, işlemin reaksiyonlarını katalize eden enzimlerden oluşur. Prokaryotik soy, organellerin yokluğuyla karakterize edilir; Bu nedenle solunum, mitokondriya çok benzer bir ortamı simüle eden plazma zarının belirli bölgelerinde meydana gelir.

terminoloji

Fizyoloji alanında, "solunum" teriminin iki tanımı vardır: pulmoner solunum ve hücresel solunum. Nefes kelimesini günlük yaşamda kullandığımızda, birinci türe atıfta bulunuyoruz.

Pulmoner solunum, nefes alıp verme eylemini içerir, bu süreç gazların değiş tokuşu ile sonuçlanır: oksijen ve karbondioksit. Bu fenomen için doğru terim "ventilasyon" dur.

Aksine, hücresel solunum - adından da anlaşılacağı gibi - hücrelerin içinde gerçekleşir ve bir elektron taşıma zinciri yoluyla enerji üretmekten sorumlu süreçtir. Bu son süreç, bu makalede tartışılacak olan süreçtir.

Hücresel solunum nerede gerçekleşir?

Ökaryotlarda solunumun yeri

Mitokondri

Hücresel solunum, mitokondri adı verilen karmaşık bir organelde gerçekleşir. Yapısal olarak, mitokondri 1.5 mikron genişliğinde ve 2 ila 8 mikron uzunluğundadır. Kendi genetik materyallerine sahip olmaları ve endosimbiyotik kökenlerinin körelmiş özellikleri olan ikili bölünmeye bölünmeleri ile karakterize edilirler.

İki zarı vardır, biri düz ve diğeri de çıkıntıları oluşturan kıvrımlara sahiptir. Mitokondri ne kadar aktif olursa, o kadar fazla çıkıntıya sahiptir.

Mitokondrinin iç kısmına mitokondriyal matris denir. Bu bölmede solunum reaksiyonları için gerekli olan enzimler, koenzimler, su ve fosfatlar bulunur.

Dış zar, çoğu küçük molekülün geçişine izin verir. Bununla birlikte, aslında çok özel taşıyıcılardan geçişi kısıtlayan iç zardır. Bu yapının geçirgenliği, ATP üretiminde temel bir rol oynar.

Mitokondri sayısı

Hücresel solunum için gerekli olan enzimler ve diğer bileşenler, zarlara tutturulmuş ve mitokondriyal matrikste serbest olarak bulunur.

Bu nedenle, daha fazla enerji gerektiren hücreler, enerji ihtiyacı daha düşük olan hücrelerin aksine, yüksek sayıda mitokondriye sahip olmaları ile karakterize edilir.

Örneğin, karaciğer hücreleri ortalama olarak 2.500 mitokondriye sahipken, bir kas hücresi (metabolik olarak çok aktif) çok daha yüksek bir sayı içerir ve bu hücre tipinin mitokondrileri daha büyüktür.

Ek olarak, bunlar enerjinin gerekli olduğu belirli bölgelerde bulunur, örneğin spermin kamçısını çevreleyen.

Prokaryotik solunumun yeri

Mantıksal olarak, prokaryotik organizmalar nefes almaya ihtiyaç duyar ve mitokondriye veya ökaryotlara özgü karmaşık organellere sahip değildir. Bu nedenle solunum süreci, mitokondriye benzer şekilde, plazma zarının küçük istilalarında gerçekleşir.

Türleri

Elektronların son alıcısı olarak hareket eden moleküle bağlı olarak iki temel solunum türü vardır. Aerobik solunumda alıcı oksijendir, anaerobikte ise inorganik bir moleküldür - ancak birkaç özel durumda alıcı organik bir moleküldür. Her birini aşağıda ayrıntılı olarak açıklayacağız:

Aerobik solunum

Aerobik solunum organizmalarında, elektronlar için son alıcı oksijendir. Ortaya çıkan adımlar Krebs döngüsü ve elektron taşıma zinciri olarak ikiye ayrılır.

Bu biyokimyasal yollarda meydana gelen reaksiyonların ayrıntılı açıklaması bir sonraki bölümde geliştirilecektir.

Anerobik solunum

Son alıcı, oksijen dışında bir molekülden oluşur. Anaerobik solunum tarafından üretilen ATP miktarı, incelenen organizma ve kullanılan yol dahil olmak üzere çeşitli faktörlere bağlıdır.

Bununla birlikte, enerji üretimi aerobik solunumda her zaman daha yüksektir, çünkü Krebs döngüsü yalnızca kısmen çalışır ve zincirdeki tüm taşıyıcı moleküller solunuma katılmaz.

Bu nedenle, anaerobik bireylerin büyümesi ve gelişmesi aerobik olanlardan önemli ölçüde daha azdır.

Anaerobik organizma örnekleri

Bazı organizmalarda oksijen toksiktir ve bunlara katı anaerob denir. En iyi bilinen örnek, tetanoz ve botulizme neden olan bakteri: Clostridium'dur.

Ek olarak, fakültatif anaeroblar olarak adlandırılan, aerobik ve anaerobik solunum arasında değişebilen başka organizmalar da vardır. Başka bir deyişle, kendilerine uygun olduğunda oksijeni kullanırlar ve yokluğunda anaerobik solunuma başvururlar. Örneğin, iyi bilinen bakteri Escherichia coli bu metabolizmaya sahiptir.

Bazı bakteriler, Pseudomonas ve Bacillus cinsleri gibi nitrat iyonunu (NO ₃ ^- ) son elektron alıcısı olarak kullanabilir. Söz konusu iyon, nitrit iyonu, nitröz okside veya nitrojen gazına indirgenebilir.

Diğer durumlarda, son akseptör sülfat iyonu (SO oluşmaktadır ₄ ^2- hidrojen sülfid sebebiyet verir ve form metan karbonat kullanır). Desulfovibrio cinsi bakteri bu tip alıcıya bir örnektir.

Nitrat ve sülfat moleküllerinde bu elektron alımı, bu bileşiklerin biyojeokimyasal döngülerinde - nitrojen ve sülfür - çok önemlidir.

İşlem

Glikoliz, hücresel solunumdan önceki bir yoldur. Bir glikoz molekülü ile başlar ve son ürün, üç karbonlu bir molekül olan piruvattır. Glikoliz, hücrenin sitoplazmasında gerçekleşir. Bu molekül, bozulmasına devam edebilmek için mitokondriye girebilmelidir.

Piruvat, konsantrasyon gradyanları yoluyla, zarın gözenekleri yoluyla organel içine yayılabilir. Nihai hedef, mitokondrinin matrisi olacaktır.

Hücresel solunumun ilk aşamasına girmeden önce, piruvat molekülü belirli değişikliklere uğrar.

İlk olarak, koenzim A adı verilen bir molekülle reaksiyona girer. Her piruvat, karbon dioksit ve asetil grubuna ayrılır, bunlar koenzim A'ya bağlanarak aseyil koenzim A kompleksine yol açar.

Bu reaksiyonda, iki elektron ve bir hidrojen iyonu NADP ⁺ 'ya aktarılır ve NADH elde edilir ve piruvat dehidrojenaz enzim kompleksi tarafından katalize edilir. Tepkime bir dizi kofaktör gerektirir.

Bu değişikliğin ardından solunum içindeki iki aşama başlar: Krebs döngüsü ve elektron taşıma zinciri.

Krebs döngüsü

Krebs döngüsü, biyokimyadaki en önemli döngüsel reaksiyonlardan biridir. Literatürde sitrik asit döngüsü veya trikarboksilik asit döngüsü (TCA) olarak da bilinir.

Adını keşfeden Alman biyokimyacı Hans Krebs'den almıştır. 1953'te Krebs, biyokimya alanına damgasını vuran bu keşif için Nobel Ödülü'ne layık görüldü.

Döngünün amacı, asetil koenzim A'da bulunan enerjinin kademeli olarak serbest bırakılmasıdır. Bu, enerjiyi farklı moleküllere, özellikle NAD ^{+ 'ya} aktaran bir dizi oksidasyon ve indirgeme reaksiyonundan oluşur .

Döngüye giren her iki asetil koenzim A molekülü için dört karbon dioksit molekülü salınır, altı NADH molekülü ve iki FADH ₂ molekülü üretilir . CO ₂ , prosesten atık madde olarak atmosfere salınır. GTP de oluşturulur.

Bu yol hem anabolik (molekül sentezi) hem de katabolik (molekül yıkımı) süreçlere katıldığından "amfibolik" olarak adlandırılır.

Krebs döngüsü reaksiyonları

Döngü, bir asetil koenzim A molekülünün bir oksaloasetat molekülü ile füzyonu ile başlar. Bu birliktelik altı karbonlu bir moleküle yol açar: sitrat. Böylece koenzim A açığa çıkar, hatta birçok kez yeniden kullanılır. Hücrede çok fazla ATP varsa, bu adım inhibe edilir.

Yukarıdaki reaksiyon enerji gerektirir ve onu asetil grubu ile koenzim A arasındaki yüksek enerjili bağı kırarak elde eder.

Sitrat cis akonitat'a dönüştürülür ve enzim akonitaz tarafından izositrata dönüştürülür. Bir sonraki adım, dehidrojenlenmiş izositrat ile izositratın alfa ketoglutarata dönüştürülmesidir. Bu aşama önemlidir çünkü NADH'nin azalmasına yol açar ve karbondioksit salgılar.

Alfa ketoglutarat, piruvat kinaz ile aynı kofaktörleri kullanan alfa ketoglutarat dehidrojenaz tarafından süksinil koenzim A'ya dönüştürülür. NADH da bu adımda üretilir ve ilk adım olarak fazla ATP tarafından inhibe edilir.

Bir sonraki ürün süksinattır. Üretiminde GTP oluşumu meydana gelir. Süksinat fumarata dönüşür. Bu reaksiyon, FADH verir. Fumarat sırayla malat ve sonunda oksaloasetat hale gelir.

Elektron taşıma zinciri

Elektron taşıma zincirinin amacı, elektronları daha önceki aşamalarda üretilen NADH ve FADH ₂ gibi yüksek enerji seviyesinde olan bileşiklerden alıp daha düşük enerji seviyesine ulaştırmaktır .

Enerjideki bu azalma adım adım gerçekleşir yani aniden meydana gelmez. Redoks reaksiyonlarının meydana geldiği bir dizi adımdan oluşur.

Zincirin ana bileşenleri, sitokromlara bağlı proteinler ve enzimler tarafından oluşturulan komplekslerdir: hem-tipi metaloporfirinler.

Sitokromlar yapıları bakımından oldukça benzerdir, ancak her birinin zincir içinde kendine özgü işlevini yerine getirmesine izin veren bir özelliği vardır, elektronları farklı enerji seviyelerinde söyler.

Elektronların solunum zinciri boyunca daha düşük seviyelere hareketi, enerjinin salınmasını sağlar. Bu enerji, oksidatif fosforilasyon olarak bilinen bir süreçte ATP'yi sentezlemek için mitokondride kullanılabilir.

Kemosmotik eşleşme

Biyokimyacı Peter Mitchell kemosmotik eşleşmeyi önerene kadar, zincirdeki ATP oluşum mekanizması uzun bir süre bir muammaydı.

Bu fenomende, iç mitokondriyal membran boyunca bir proton gradyanı oluşturulur. Bu sistemde bulunan enerji serbest bırakılır ve ATP'yi sentezlemek için kullanılır.

Oluşan ATP miktarı

Gördüğümüz gibi, ATP doğrudan Krebs döngüsünde değil, elektron taşıma zincirinde oluşuyor. NADH'den oksijene geçen her iki elektron için üç ATP molekülünün sentezi gerçekleşir. Bu tahmin, başvurulan literatüre bağlı olarak biraz değişebilir.

Benzer şekilde, FADH _2'den geçen her iki elektron için iki ATP molekülü oluşur.

Özellikleri

Hücresel solunumun temel işlevi, hücrenin işlevlerine yönlendirilebilmesi için ATP biçiminde enerji üretimidir.

Hem hayvanların hem de bitkilerin yiyecek için kullandıkları organik moleküllerde bulunan kimyasal enerjiyi çıkarması gerekir. Sebzeler söz konusu olduğunda, bu moleküller, bitkinin ünlü fotosentetik işlemde güneş enerjisi kullanımıyla sentezlediği şekerlerdir.

Öte yandan hayvanlar kendi besinlerini sentezleyemezler. Bu nedenle, heterotroflar, örneğin bizim gibi, diyette yiyecek tüketir. Oksidasyon süreci, gıdalardan enerji elde etmekten sorumludur.

Fotosentez işlevlerini solunum işlevleriyle karıştırmamalıyız. Hayvanlar gibi bitkiler de nefes alır. Her iki süreç de tamamlayıcıdır ve yaşayan dünyanın dinamiklerini korur.

Referanslar

1. Alberts, B. ve Bray, D. (2006). Hücre biyolojisine giriş. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G. ve Byers, BE (2003). Biyoloji: Dünyadaki Yaşam. Pearson eğitimi.
3. Curtis, H. ve Schnek, A. (2008). Curtis. Biyoloji . Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC ve Garrison, C. (2007). Entegre zooloji ilkeleri. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K. ve Eckert, R. (2002). Eckert hayvan fizyolojisi. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR ve Case, CL (2007). Mikrobiyolojiye giriş. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A. ve Wheater, PR (2000). Fonksiyonel histoloji: renkli metin ve atlas. Harcourt.