Wprowadzenie do rodzajów oddychania

Podczas wdechu przepona kurczy się, a płuca rozszerzają, wypychając klatkę piersiową do góry. Podczas wydechu przepona rozluźnia się, a płuca kurczą, cofając klatkę piersiową z powrotem w dół.

Wetcake/DigitalVision Vectors/Getty Images

Oddychanie zewnętrzne

Jedną z metod pozyskiwania tlenu z otoczenia jest oddychanie zewnętrzne lub oddychanie. W organizmach zwierzęcych proces oddychania zewnętrznego przebiega na wiele różnych sposobów. Zwierzęta, które nie są wyspecjalizowane organy oddychanie polega na dyfuzji przez zewnętrzne powierzchnie tkanek w celu uzyskania tlenu. Inni albo mają narządy wyspecjalizowane w wymianie gazowej, albo mają kompletny Układ oddechowy . W organizmach takich jak nicienie (glisty), gazy i składniki odżywcze są wymieniane ze środowiskiem zewnętrznym poprzez dyfuzję po powierzchni ciała zwierzęcia. Owady ipająkimieć narządy oddechowe zwane tchawicami, podczas gdy ryby mają skrzela jako miejsca wymiany gazowej.

Ludzie i inni ssaki mieć układ oddechowy z wyspecjalizowanymi narządami oddechowymi ( płuca ) i tkanki. W ludzkim ciele tlen jest pobierany do płuc przez inhalację, a dwutlenek węgla jest wydalany z płuc przez wydech. Oddychanie zewnętrzne ssaków obejmuje procesy mechaniczne związane z oddychaniem. Obejmuje to skurcz i rozluźnienie przepony i akcesoriów mięśnie , a także częstość oddechów.

Oddychanie wewnętrzne

Zewnętrzne procesy oddechowe wyjaśniają, w jaki sposób pozyskuje się tlen, ale w jaki sposób dostaje się tlen komórki ciała ? Oddychanie wewnętrzne obejmuje transport gazów między krew i tkanki ciała. Tlen w płuca dyfunduje przez cienką nabłonek pęcherzyków płucnych (worków powietrznych) do otoczenia kapilary zawierające krew ubogą w tlen. Jednocześnie dwutlenek węgla dyfunduje w przeciwnym kierunku (z krwi do pęcherzyków płucnych) i jest wydalany. Krew bogata w tlen jest transportowana przez układ krążenia od naczyń włosowatych płuc po komórki i tkanki ciała. Podczas gdy tlen jest odprowadzany do komórek, dwutlenek węgla jest wychwytywany i transportowany z komórek tkanki do płuc.

Oddychania komórkowego

Trzy procesy wytwarzania ATP lub oddychania komórkowego obejmują glikolizę, cykl kwasów trikarboksylowych i fosforylację oksydacyjną. Źródło: Encyklopedia Britannica/UIG/Getty Images

Tlen uzyskany z oddychania wewnętrznego jest wykorzystywany przez komórki w oddychania komórkowego . Aby uzyskać dostęp do energii zmagazynowanej w żywności, którą spożywamy, cząsteczki biologiczne składające się na żywność ( węglowodany , białka itd.) muszą być rozbite na formy, które organizm może wykorzystać. Osiąga się to poprzez proces trawienny gdzie żywność jest rozkładana, a składniki odżywcze są wchłaniane do krwi. Ponieważ krew krąży po całym ciele, składniki odżywcze są transportowane do komórek ciała. W oddychaniu komórkowym glukoza uzyskana z trawienia jest rozdzielana na części składowe w celu produkcji energii. Poprzez szereg etapów glukoza i tlen są przekształcane w dwutlenek węgla (CO_dwa), woda (H_dwaO) oraz wysokoenergetyczną cząsteczkę adenozynotrifosforanu (ATP). Powstający w tym procesie dwutlenek węgla i woda dyfundują do płynu śródmiąższowego otaczającego komórki. Stamtąd CO_dwadyfunduje do osocza krwi i Czerwone krwinki . Wytworzone w tym procesie ATP dostarcza energię potrzebną do wykonywania prawidłowych funkcji komórkowych, takich jak synteza makrocząsteczek, skurcz mięśni, rzęski i wici ruch i podział komórek .

Oddychanie aerobowe

CC BY-SA 3.0 ' id='mntl-sc-block-image_2-0-11' />

Jest to schemat tlenowego oddychania komórkowego, w tym glikolizy, cyklu Krebsa (cykl kwasu cytrynowego) i łańcucha transportu elektronów. RegisFrey/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0

Tlenowe oddychanie komórkowe składa się z trzech etapów: glikoliza , cykl kwasu cytrynowego (cykl Krebsa) i transport elektronów z fosforylacją oksydacyjną.

Glikolizawystępuje w cytoplazma i obejmuje utlenianie lub rozszczepianie glukozy na pirogronian. W glikolizie powstają również dwie cząsteczki ATP i dwie cząsteczki wysokoenergetycznego NADH. W obecności tlenu pirogronian wchodzi do wewnętrznej macierzy komórki mitochondria i ulega dalszemu utlenianiu w cyklu Krebsa. Cykl Krebsa: W tym cyklu powstają dwie dodatkowe cząsteczki ATP wraz z CO_dwa, dodatkowe protony i elektrony oraz wysokoenergetyczne cząsteczki NADH i FADH_dwa. Elektrony generowane w cyklu Krebsa przemieszczają się przez fałdy w błonie wewnętrznej (cristae), które oddzielają macierz mitochondrialną (przedział wewnętrzny) od przestrzeni międzybłonowej (przedział zewnętrzny). Tworzy to gradient elektryczny, który pomaga łańcuchowi transportu elektronów pompować protony wodoru z matrycy do przestrzeni międzybłonowej.
• Łańcuch transportu elektronów to seria kompleksów białek nośnika elektronów w mitochondrialnej błonie wewnętrznej. NADH i FADH_dwagenerowane w cyklu Krebsa przekazują swoją energię w łańcuchu transportu elektronów do transportu protonów i elektronów do przestrzeni międzybłonowej. Wysoka koncentracja protonów wodorowych w przestrzeni międzybłonowej jest wykorzystywana przez kompleks białkowy Syntaza ATP do transportu protonów z powrotem do matrycy. Zapewnia to energię do fosforylacji ADP do ATP. Transport elektronów i fosforylacja oksydacyjna odpowiadają za tworzenie 34 cząsteczek ATP.

W sumie 38 cząsteczek ATP jest produkowanych przez prokariota w utlenianiu pojedynczej cząsteczki glukozy. Liczba ta jest zmniejszona do 36 cząsteczek ATP u eukariontów, ponieważ dwa ATP są zużywane w przenoszeniu NADH do mitochondriów.

Fermentacja

Procesy fermentacji alkoholowej i mleczanowej. Vtvu/Wikimedia Commons/CC BY-SA

Oddychanie tlenowe zachodzi tylko w obecności tlenu. Gdy zaopatrzenie w tlen jest niskie, w komórce może powstać tylko niewielka ilość ATP cytoplazma przez glikolizę. Chociaż pirogronian nie może wejść w cykl Krebsa lub łańcuch transportu elektronów bez tlenu, nadal może być używany do generowania dodatkowego ATP przez fermentację. Fermentacja jest innym rodzajem oddychania komórkowego, chemicznym procesem rozkładu węglowodany na mniejsze związki do produkcji ATP. W porównaniu z oddychaniem tlenowym podczas fermentacji wytwarzana jest tylko niewielka ilość ATP. Dzieje się tak, ponieważ glukoza jest rozkładana tylko częściowo. Niektóre organizmy są fakultatywnymi beztlenowcami i mogą wykorzystywać zarówno fermentację (gdy tlen jest niski lub niedostępny), jak i oddychanie tlenowe (gdy tlen jest dostępny). Dwa popularne rodzaje fermentacji to fermentacja kwasu mlekowego i fermentacja alkoholowa (etanol). Glikoliza jest pierwszym etapem każdego procesu.

Fermentacja kwasu mlekowego

W fermentacji kwasu mlekowego NADH, pirogronian i ATP są wytwarzane przez glikolizę. NADH jest następnie przekształcany w jego niskoenergetyczną formę NAD⁺, podczas gdy pirogronian jest przekształcany w mleczan. NAD⁺jest zawracany z powrotem do glikolizy, aby wytworzyć więcej pirogronianu i ATP. Fermentacja kwasu mlekowego jest powszechnie przeprowadzana przez mięsień komórki, gdy poziom tlenu zostanie wyczerpany. Mleczan jest przekształcany w kwas mlekowy, który może gromadzić się w dużych ilościach w komórkach mięśniowych podczas ćwiczeń. Kwas mlekowy zwiększa kwasowość mięśni i powoduje uczucie pieczenia, które pojawia się podczas ekstremalnego wysiłku. Po przywróceniu normalnego poziomu tlenu pirogronian może wejść w oddychanie tlenowe i można wytworzyć znacznie więcej energii, aby wspomóc regenerację. Zwiększony przepływ krwi pomaga dostarczać tlen i usuwać kwas mlekowy z komórek mięśniowych.

Fermentacja alkoholowa

W fermentacji alkoholowej pirogronian jest przekształcany w etanol i CO_dwa. ONE⁺jest również generowany podczas konwersji i jest zawracany z powrotem do glikolizy, aby wytworzyć więcej cząsteczek ATP. Fermentację alkoholową przeprowadza rośliny , drożdże i niektóre gatunki bakterii. Proces ten wykorzystywany jest przy produkcji napojów alkoholowych, paliw i wypieków.

Oddychanie beztlenowe

Bifidobakterie to Gram-dodatnie bakterie beztlenowe, które żyją w przewodzie pokarmowym. KATERYNA KON/Science Photo Library/Getty Images

Jak? ekstremofile jak niektórzy bakteria oraz archeowcy przetrwać w środowiskach bez tlenu? Odpowiedzią jest oddychanie beztlenowe. Ten rodzaj oddychania odbywa się bez tlenu i wiąże się ze zużyciem innej cząsteczki (azotan, siarka, żelazo, dwutlenek węgla itp.) zamiast tlenu. W przeciwieństwie do fermentacji, oddychanie beztlenowe polega na tworzeniu gradientu elektrochemicznego przez system transportu elektronów, który powoduje produkcję wielu cząsteczek ATP. W przeciwieństwie do oddychania tlenowego, ostatecznym odbiorcą elektronów jest cząsteczka inna niż tlen. Wiele organizmów beztlenowych to bezwzględne beztlenowce; nie przeprowadzają fosforylacji oksydacyjnej i umierają w obecności tlenu. Inne są beztlenowcami fakultatywnymi i mogą również wykonywać oddychanie tlenowe, gdy dostępny jest tlen.

Źródła

• ' Jak działają płuca . Narodowy Instytut Serca Płuc i Krwi , Departament Zdrowia i Opieki Społecznej Stanów Zjednoczonych.
• Lodish, Harvey. ' Transport elektronów i fosforylacja oksydacyjna . Aktualne raporty z neurologii i neuronauki , Narodowa Biblioteka Medyczna USA, 1 stycznia 1970, .
• Oren, Aaron. ' Oddychanie beztlenowe . Kanadyjski Dziennik Inżynierii Chemicznej , Wiley-Blackwell, 15 września 2009 r.