AËROBE ADEMHALING: KENMERKEN, STADIA EN ORGANISMEN - BIOLOGIE - 2024

De aërobe ademhaling of aëroob is een biologisch proces waarbij energie wordt verkregen van organische moleculen - voornamelijk glucose - door een reeks oxidatiereacties, waarbij de uiteindelijke elektronenacceptor zuurstof is.

Dit proces is aanwezig in de overgrote meerderheid van organische wezens, met name eukaryoten. Alle dieren, planten en schimmels ademen aëroob. Bovendien vertonen sommige bacteriën ook een aëroob metabolisme.

Bij eukaryoten bevindt het apparaat voor cellulaire ademhaling zich in de mitochondriën.
Bron: National Human Genome Research Institute (NHGRI) van Bethesda, MD, VS, via Wikimedia Commons

Over het algemeen is het proces van het verkrijgen van energie uit het glucosemolecuul onderverdeeld in glycolyse (deze stap is gebruikelijk in zowel de aërobe als anaërobe routes), de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen.

Het concept van aërobe ademhaling is in tegenstelling tot anaërobe ademhaling. In de laatste is de laatste acceptor van de elektronen een andere anorganische stof, anders dan zuurstof. Het is typerend voor sommige prokaryoten.

Wat is zuurstof?

Voordat we het proces van aerobe ademhaling bespreken, is het noodzakelijk om bepaalde aspecten van het zuurstofmolecuul te kennen.

Het is een chemisch element dat in het periodiek systeem wordt weergegeven met de letter O en het atoomnummer 8. Onder standaardomstandigheden van temperatuur en druk heeft zuurstof de neiging om zich in paren te binden, waardoor het dizuurstofmolecuul ontstaat.

Dit gas, bestaande uit twee zuurstofatomen, heeft geen kleur, geur of smaak en wordt weergegeven door de formule O ₂ . In de atmosfeer is het een prominent onderdeel en is het nodig om de meeste levensvormen op aarde in stand te houden.

Dankzij de gasvormige aard van zuurstof kan het molecuul vrij celmembranen passeren - zowel het buitenmembraan dat de cel scheidt van de extracellulaire omgeving, als de membranen van de subcellulaire compartimenten, inclusief mitochondriën.

Ademhalingskenmerken

Cellen gebruiken de moleculen die we via onze voeding binnenkrijgen als een soort ademhalings "brandstof".

Cellulaire ademhaling is het energieopwekkende proces, in de vorm van ATP-moleculen, waarbij de af te breken moleculen oxidatie ondergaan en de uiteindelijke acceptor van de elektronen in de meeste gevallen een anorganisch molecuul is.

Een essentieel kenmerk dat ademhalingsprocessen mogelijk maakt, is de aanwezigheid van een elektronentransportketen. Bij aërobe ademhaling is de laatste acceptor voor elektronen het zuurstofmolecuul.

Onder normale omstandigheden zijn deze "brandstoffen" koolhydraten of koolhydraten en vetten of lipiden. Omdat het lichaam door gebrek aan voedsel in precaire omstandigheden verkeert, neemt het zijn toevlucht tot het gebruik van eiwitten om te proberen aan zijn energiebehoeften te voldoen.

Het woord ademhaling maakt deel uit van ons vocabulaire in het dagelijks leven. Het nemen van lucht in onze longen, in continue cycli van uitademingen en inademingen, noemen we ademhaling.

In de formele context van de levenswetenschappen wordt een dergelijke handeling echter aangeduid met de term ventilatie. De term ademhaling wordt dus gebruikt om te verwijzen naar processen die plaatsvinden op cellulair niveau.

Processen (fasen)

De stadia van aërobe ademhaling omvatten de stappen die nodig zijn om energie uit organische moleculen te halen - in dit geval zullen we het geval van het glucosemolecuul als ademhalingsbrandstof beschrijven - totdat het de zuurstofacceptor bereikt.

Deze complexe metabole route is onderverdeeld in glycolyse, de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen:

Glycolyse

Figuur 1: glycolyse versus gluconeogenese. Reacties en enzymen betrokken.

De eerste stap bij de afbraak van glucosemonomeer is glycolyse, ook wel glycolyse genoemd. Deze stap vereist geen directe zuurstof en is aanwezig in vrijwel alle levende wezens.

Het doel van deze metabole route is de splitsing van glucose in twee moleculen pyrodruivenzuur, waarbij twee netto-energiemoleculen (ATP) worden verkregen en twee moleculen NAD ^{+ worden verminderd} .

In aanwezigheid van zuurstof kan het pad doorgaan naar de Krebs-cyclus en de elektronentransportketen. Als er geen zuurstof is, volgen de moleculen de fermentatieroute. Met andere woorden, glycolyse is een veel voorkomende metabole route voor aërobe en anaërobe ademhaling.

Voorafgaand aan de Krebs-cyclus moet oxidatieve decarboxylering van pyrodruivenzuur plaatsvinden. Deze stap wordt gemedieerd door een zeer belangrijk enzymcomplex, pyruvaat dehydrogenase genaamd, dat de bovengenoemde reactie uitvoert.

Pyruvaat wordt dus een acetylradicaal dat vervolgens wordt opgevangen door co-enzym A, dat verantwoordelijk is voor het transport naar de Krebs-cyclus.

citroenzuurcyclus

De Krebs-cyclus, ook bekend als de citroenzuurcyclus of tricarbonzuurcyclus, bestaat uit een reeks biochemische reacties die worden gekatalyseerd door specifieke enzymen die trachten geleidelijk de chemische energie vrij te geven die is opgeslagen in acetylco-enzym A.

Het is een route die het pyruvaatmolecuul volledig oxideert en voorkomt in de matrix van de mitochondriën.

Deze cyclus is gebaseerd op een reeks oxidatie- en reductiereacties die potentiële energie in de vorm van elektronen overdragen aan elementen die ze accepteren, met name het NAD ⁺ -molecuul .

Samenvatting van de Krebs-cyclus

Elk molecuul pyrodruivenzuur wordt afgebroken tot kooldioxide en een molecuul met twee koolstofatomen, bekend als een acetylgroep. Met de vereniging met co-enzym A (vermeld in de vorige paragraaf) wordt het acetyl co-enzym A-complex gevormd.

De twee koolstofatomen van pyrodruivenzuur komen in de cyclus, condenseren met oxaalacetaat en vormen een citraatmolecuul met zes koolstofatomen. Aldus treden oxidatieve stapreacties op. Het citraat keert terug naar oxaalacetaat met een theoretische productie van 2 mol koolstofdioxide, 3 mol NADH, 1 mol FADH ₂ en 1 mol GTP.

Omdat bij glycolyse twee pyruvaatmoleculen worden gevormd, omvat één glucosemolecuul twee omwentelingen van de Krebs-cyclus.

Elektronentransportketen

Een elektronentransportketen bestaat uit een reeks eiwitten die oxidatie- en reductiereacties kunnen uitvoeren.

De doorgang van elektronen door deze eiwitcomplexen resulteert in een geleidelijke afgifte van energie die vervolgens wordt gebruikt bij het genereren van ATP door chemo-motoren. Belangrijk is dat de laatste kettingreactie van het onomkeerbare type is.

In eukaryote organismen, die subcellulaire compartimenten hebben, zijn de elementen van de transportketen verankerd aan het membraan van de mitochondriën. Bij prokaryoten, die deze compartimenten missen, bevinden de elementen van de ketting zich in het plasmamembraan van de cel.

De reacties van deze ketting leiden tot de vorming van ATP, door de energie die wordt verkregen door de verplaatsing van waterstof door de transporteurs, totdat het de uiteindelijke acceptor bereikt: zuurstof, een reactie die water produceert.

Klassen van dragermoleculen

De ketting is opgebouwd uit drie varianten van transportbanden. De eerste klasse zijn flavoproteïnen, gekenmerkt door de aanwezigheid van flavine. Dit type transporter kan twee soorten reacties uitvoeren, zowel reductie als oxidatie.

Het tweede type bestaat uit cytochromen. Deze eiwitten hebben een heemgroep (zoals die van hemoglobine), die verschillende oxidatietoestanden kan vertonen.

De laatste klasse van transporters is ubiquinon, ook wel bekend als co-enzym Q. Deze moleculen zijn niet van nature proteïne.

Organismen met aërobe ademhaling

De meeste levende organismen hebben een aërobe ademhaling. Het is typerend voor eukaryote organismen (wezens met een echte kern in hun cellen, begrensd door een membraan). Alle dieren, planten en schimmels ademen aëroob.

Dieren en schimmels zijn heterotrofe organismen, wat betekent dat de "brandstof" die zal worden gebruikt in de metabolische route van ademhaling actief moet worden geconsumeerd in de voeding. In tegenstelling tot planten, die het vermogen hebben om via fotosynthese hun eigen voedsel te produceren.

Sommige geslachten van prokaryoten hebben ook zuurstof nodig voor hun ademhaling. Concreet zijn er strikt aërobe bacteriën, dat wil zeggen dat ze alleen groeien in zuurstofrijke omgevingen, zoals pseudomonas.

Andere soorten bacteriën hebben het vermogen om hun metabolisme te veranderen van aëroob naar anaëroob op basis van omgevingsfactoren, zoals salmonella. Bij prokaryoten is aëroob of anaëroob zijn een belangrijk kenmerk voor hun classificatie.

Verschillen met anaërobe ademhaling

Het tegenovergestelde proces van aërobe ademhaling is de anaërobe modus. Het meest voor de hand liggende verschil tussen de twee is het gebruik van zuurstof als de laatste elektronenacceptor. Anaërobe ademhaling gebruikt andere anorganische moleculen als acceptoren.

Bovendien is bij anaërobe ademhaling het eindproduct van de reacties een molecuul dat nog steeds kan oxideren. Zo wordt er melkzuur gevormd in de spieren tijdens fermentatie. De eindproducten van aërobe ademhaling zijn daarentegen kooldioxide en water.

Er zijn ook verschillen vanuit het oogpunt van energie. In de anaërobe route worden slechts twee ATP-moleculen geproduceerd (overeenkomend met de glycolytische route), terwijl bij aërobe ademhaling het eindproduct over het algemeen uit ongeveer 38 ATP-moleculen bestaat - wat een significant verschil is.

Referenties

1. Campbell, MK en Farrell, SO (2011). Biochemie. Zesde editie. Thomson. Brooks / Cole.
2. Curtis, H. (2006). Uitnodiging voor biologie. Zesde editie. Buenos Aires: Pan-American Medical.
3. Estrada, E & Aranzábal, M. (2002). Atlas van gewervelde histologie. Nationale Autonome Universiteit van Mexico. Blz.173.
4. Hall, J. (2011). Verdrag van medische fysiologie. New York: Elsevier Health Sciences.
5. Harisha, S. (2005). Een inleiding tot praktische biotechnologie. New Delhi: Firewall Media.
6. Hill, R. (2006). Dierlijke fysiologie. Madrid: Pan-American Medical.
7. Iglesias, B., Martín, M. & Prieto, J. (2007). Bases of Physiology. Madrid: Tebar.
8. Koolman, J., en Röhm, KH (2005). Biochemie: tekst en atlas. Panamerican Medical Ed.
9. Vasudevan, D. & Sreekumari S. (2012). Biochemie Tekst voor medische studenten. Zesde editie. Mexico: JP Medical Ltd.