Введение в типы дыхания

Дыхание – это процесс, при котором организмы обмениваются газами между клетками своего тела и окружающей средой. От прокариотических бактерий и архей до эукариотических простейших, грибов, растений и животных – все живые организмы подвергаются дыханию. Дыхание может относиться к любому из трех элементов процесса.

Во-первых , дыхание может относиться к внешнему дыханию или процессу дыхания (вдох и выдох), также называется вентиляцией. Во-вторых, дыхание может относиться к внутреннему дыханию, то есть диффузии газов между жидкостями организма (кровью и межклеточной жидкостью) и тканями. Наконец, дыхание может относиться к метаболическим процессам преобразования энергии, хранящейся в биологических молекулах, в полезную энергию в форме АТФ. Этот процесс может включать потребление кислорода и производство углекислого газа, как видно из аэробного клеточного дыхания, или может не включать потребление кислорода, как в случае анаэробного дыхания.

Ключевые выводы: типы дыхания

  • Дыхание – это процесс газообмена между воздухом и клетками организма. .
  • Три типа дыхания включают внутреннее, внешнее и клеточное дыхание.
  • Внешнее дыхание – это процесс дыхания. Он включает вдыхание и выдыхание газов.
  • Внутреннее дыхание включает газообмен между кровью и клетками тела.
  • Клеточное дыхание включает преобразование пищи в энергию. Аэробное дыхание – это клеточное дыхание, для которого требуется кислород, а для анаэробное дыхание – нет.

Типы дыхания: внешнее и внутреннее

Внешнее дыхание

Одним из способов получения кислорода из окружающей среды является внешнее дыхание. или дыхание. У животных организмов процесс внешнего дыхания осуществляется разными способами. Животные, у которых отсутствуют специализированные органы для дыхания, для получения кислорода полагаются на диффузию через внешние поверхности тканей. У других либо есть органы, специализирующиеся на газообмене, либо полноценная дыхательная система. У таких организмов, как нематоды (круглые черви), газы и питательные вещества обмениваются с внешней средой за счет диффузии по поверхности тела животных. У насекомых и пауков есть органы дыхания, называемые трахеями, а у рыб – жабры, служащие местом для газообмена.

У людей и других млекопитающих есть дыхательная система со специализированными дыхательными органами (легкими) и тканями. В организме человека кислород попадает в легкие при вдыхании, а углекислый газ выводится из легких при выдохе.. Внешнее дыхание у млекопитающих включает в себя механические процессы, связанные с дыханием. Это включает сокращение и расслабление диафрагмы и вспомогательных мышц, а также частоту дыхания.

Внутреннее дыхание

Процессы внешнего дыхания объясняют, как поступает кислород, но как это происходит. кислород попадает в клетки организма? Внутреннее дыхание включает транспортировку газов между кровью и тканями тела. Кислород в легких диффундирует через тонкий эпителий легочных альвеол (воздушных мешочков) в окружающие капилляры, содержащие обедненную кислородом кровь. В то же время углекислый газ диффундирует в обратном направлении (из крови в альвеолы ​​легких) и выводится наружу. Богатая кислородом кровь транспортируется по системе кровообращения от капилляров легких к клеткам и тканям организма. Пока кислород сбрасывается в клетки, углекислый газ улавливается и транспортируется из тканевых клеток в легкие.

Клеточное дыхание

Кислород, полученный при внутреннем дыхании, используется клетками в клеточном дыхании. . Чтобы получить доступ к энергии, хранящейся в пище, которую мы едим, биологические молекулы, из которых состоят продукты (углеводы, белки и т. Д.), Должны быть разбиты на формы, которые организм может использовать. Это достигается в процессе пищеварения, когда пища расщепляется, а питательные вещества всасываются в кровь. Поскольку кровь циркулирует по всему телу, питательные вещества транспортируются к клеткам организма. При клеточном дыхании глюкоза, полученная в результате пищеварения, расщепляется на составные части для производства энергии. Посредством ряда этапов глюкоза и кислород превращаются в диоксид углерода (CO 2 ), воду (H 2 O) и высокоэнергетическую молекулу аденозина. трифосфат (АТФ). Образовавшиеся при этом углекислый газ и вода диффундируют в интерстициальную жидкость, окружающую клетки. Оттуда CO 2 диффундирует в плазму крови и эритроциты. АТФ, образующийся в процессе, обеспечивает энергию, необходимую для выполнения нормальных клеточных функций, таких как синтез макромолекул, сокращение мышц, движение ресничек и жгутиков и деление клеток.

Аэробное дыхание

Аэробное клеточное дыхание состоит из трех стадий: гликолиза, цикла лимонной кислоты (цикл Кребса) и транспорта электронов с окислительным фосфорилированием.

  • Происходит гликолиз в цитоплазме и включает окисление или расщепление глюкозы до пирувата. Две молекулы АТФ и две молекулы высокоэнергетического НАДН также образуются при гликолизе. В присутствии кислорода пируват проникает во внутренний матрикс митохондрий клетки и подвергается дальнейшему окислению в цикле Кребса..
  • Цикл Кребса : в этом цикле образуются две дополнительные молекулы АТФ вместе с CO 2 , дополнительными протонами и электронами, и молекулы высоких энергий НАДН и ФАДН 2 . Электроны, генерируемые в цикле Кребса, перемещаются через складки внутренней мембраны (кристы), которые отделяют митохондриальный матрикс (внутренний отсек) от межмембранного пространства (внешний отсек). Это создает электрический градиент, который помогает цепи переноса электронов перекачивать протоны водорода из матрицы в межмембранное пространство.
  • Цепь переноса электронов является ряд комплексов белков-переносчиков электронов внутри митохондриальной внутренней мембраны. НАДН и ФАДН 2 , образующиеся в цикле Кребса, передают свою энергию в цепи переноса электронов, чтобы транспортировать протоны и электроны в межмембранное пространство. Высокая концентрация протонов водорода в межмембранном пространстве используется белковым комплексом АТФ-синтаза для транспортировки протонов обратно в матрицу. Это обеспечивает энергию для фосфорилирования АДФ в АТФ. Электронный транспорт и окислительное фосфорилирование объясняют образование 34 молекул АТФ.

Всего прокариоты продуцируют 38 молекул АТФ при окислении одной молекулы глюкозы. Это число сокращается до 36 молекул АТФ у эукариот, поскольку два АТФ расходуются на перенос НАДН в митохондрии.

Ферментация

Аэробное дыхание происходит только в присутствии кислорода. Когда поступление кислорода низкое, только небольшое количество АТФ может вырабатываться в цитоплазме клетки за счет гликолиза. Хотя пируват не может войти в цикл Кребса или цепь переноса электронов без кислорода, его все же можно использовать для выработки дополнительного АТФ путем ферментации. Ферментация – это еще один тип клеточного дыхания, химический процесс расщепления углеводов на более мелкие соединения для производства АТФ. По сравнению с аэробным дыханием при ферментации вырабатывается лишь небольшое количество АТФ. Это потому, что глюкоза расщепляется лишь частично. Некоторые организмы являются факультативными анаэробами и могут использовать как ферментацию (когда кислород низкий или недоступен), так и аэробное дыхание (когда кислород доступен). Двумя распространенными типами ферментации являются молочно-кислотное брожение и спиртовое (этаноловое) брожение. Гликолиз – первая стадия каждого процесса.

Молочная ферментация

При молочнокислой ферментации НАДН, пируват и АТФ производятся гликолизом. Затем НАДН превращается в низкоэнергетическую форму НАД + , а пируват – в лактат. НАД + перерабатывается обратно в гликолиз, чтобы произвести больше пирувата и АТФ.. Брожение молочной кислоты обычно выполняется мышечными клетками, когда уровень кислорода истощается. Лактат превращается в молочную кислоту, которая может накапливаться в больших количествах в мышечных клетках во время упражнений. Молочная кислота увеличивает кислотность мышц и вызывает чувство жжения, возникающее при экстремальных нагрузках. Как только нормальный уровень кислорода восстанавливается, пируват может участвовать в аэробном дыхании, и может быть произведено гораздо больше энергии, чтобы помочь в восстановлении. Увеличение кровотока помогает доставлять кислород к мышечным клеткам и выводить из них молочную кислоту.

Алкогольная ферментация

При спиртовой ферментации пируват превращается в этанол и CO 2 . НАД + также образуется при преобразовании и возвращается обратно в гликолиз для производства большего количества молекул АТФ. Алкогольное брожение осуществляется растениями, дрожжами и некоторыми видами бактерий. Этот процесс используется при производстве алкогольных напитков, топлива и выпечки.

Анаэробное дыхание

Как экстремофилы, такие как некоторые бактерии и археи, выживают в окружающей среде без кислорода? Ответ – анаэробное дыхание. Этот тип дыхания происходит без кислорода и предполагает потребление другой молекулы (нитрата, серы, железа, углекислого газа и т. Д.) Вместо кислорода. В отличие от ферментации, анаэробное дыхание включает образование электрохимического градиента системой переноса электронов, что приводит к производству ряда молекул АТФ. В отличие от аэробного дыхания, конечным реципиентом электронов является молекула, отличная от кислорода. Многие анаэробные организмы являются облигатными анаэробами; они не осуществляют окислительного фосфорилирования и погибают в присутствии кислорода. Другие являются факультативными анаэробами и также могут выполнять аэробное дыхание при наличии кислорода.

Источники

  • «Как работают легкие. ” Национальный институт сердца, легких и крови , Министерство здравоохранения и социальных служб США ,.
  • Лодиш, Харви. «Электронный транспорт и окислительное фосфорилирование». Текущие отчеты по неврологии и нейробиологии , Национальная медицинская библиотека США, 1 января 1970 г.,.
  • Орен, Аарон. «Анаэробное дыхание». Канадский журнал химической инженерии , Wiley-Blackwell, 15 сентября 2009 г.
Оцените статью
recture.ru
Добавить комментарий