PERNAFASAN SELULAR: PROSES, JENIS DAN FUNGSI - BIOLOGI - 2025

The pernafasan selular adalah satu proses yang menjana tenaga dalam yang bentuk ATP (adenosina trifosfat). Kemudian, tenaga ini ditujukan kepada proses selular lain. Semasa fenomena ini, molekul mengalami pengoksidaan dan akseptor akhir elektron, dalam kebanyakan kes, molekul bukan organik.

Sifat akseptor elektron akhir bergantung pada jenis pernafasan organisma yang dikaji. Dalam aerob - seperti Homo sapiens - akseptor elektron terakhir adalah oksigen. Sebaliknya, bagi respirator anaerob oksigen boleh menjadi toksik. Dalam kes terakhir, akseptor akhir adalah molekul bukan organik selain oksigen.

Sumber: Oleh Darekk2, dari Wikimedia Commons

Pernafasan aerobik telah dipelajari secara meluas oleh ahli biokimia dan terdiri daripada dua peringkat: kitaran Krebs dan rantai pengangkutan elektron.

Dalam organisma eukariotik, semua alat yang diperlukan untuk pernafasan berlaku di dalam mitokondria, baik dalam matriks mitokondria dan dalam sistem membran organel ini.

Mesin terdiri daripada enzim yang menjadi pemangkin reaksi proses. Keturunan prokariotik dicirikan oleh ketiadaan organel; Atas sebab ini, pernafasan berlaku di kawasan tertentu membran plasma yang mensimulasikan persekitaran yang sangat mirip dengan mitokondria.

Terminologi

Dalam bidang fisiologi, istilah "respirasi" mempunyai dua definisi: pernafasan paru-paru dan pernafasan selular. Apabila kita menggunakan kata nafas dalam kehidupan seharian, kita merujuk kepada jenis pertama.

Pernafasan paru terdiri daripada tindakan bernafas masuk dan keluar, proses ini menghasilkan pertukaran gas: oksigen dan karbon dioksida. Istilah yang betul untuk fenomena ini adalah "pengudaraan."

Sebaliknya, pernafasan selular berlaku - seperti namanya - sel di dalam dan merupakan proses yang bertanggungjawab menghasilkan tenaga melalui rantai pengangkutan elektron. Proses terakhir ini adalah proses yang akan dibincangkan dalam artikel ini.

Di manakah pernafasan selular berlaku?

Lokasi pernafasan di eukariota

Mitokondria

Pernafasan selular berlaku di organel kompleks yang disebut mitokondria. Secara struktural, mitokondria selebar 1.5 mikron dan panjang 2 hingga 8 mikron. Mereka dicirikan oleh mempunyai bahan genetik mereka sendiri dan dengan membahagikan dengan pembelahan binari - ciri-ciri vestigial asal endosymbiotik mereka.

Mereka mempunyai dua membran, yang halus dan dalaman dengan lipatan yang membentuk rabung. Semakin aktif mitokondria, semakin banyak pergunungannya.

Bahagian dalam mitokondria disebut matriks mitokondria. Di petak ini terdapat enzim, koenzim, air dan fosfat yang diperlukan untuk reaksi pernafasan.

Membran luar memungkinkan masuknya sebilangan besar molekul kecil. Walau bagaimanapun, ia adalah membran dalaman yang sebenarnya menyekat jalan masuk melalui alat pengangkutan yang sangat spesifik. Kebolehtelapan struktur ini memainkan peranan penting dalam pengeluaran ATP.

Bilangan mitokondria

Enzim dan komponen lain yang diperlukan untuk pernafasan sel didapati berlabuh di membran dan bebas dalam matriks mitokondria.

Oleh itu, sel yang memerlukan lebih banyak tenaga dicirikan dengan jumlah mitokondria yang tinggi, berbeza dengan sel yang keperluan energinya lebih rendah.

Sebagai contoh, sel hati rata-rata mempunyai 2.500 mitokondria, sementara sel otot (sangat aktif secara metabolik) mengandungi bilangan yang jauh lebih tinggi, dan mitokondria jenis sel ini lebih besar.

Selain itu, ini terletak di wilayah tertentu di mana tenaga diperlukan, misalnya mengelilingi flagel sperma.

Lokasi pernafasan prokariotik

Secara logiknya, organisma prokariotik perlu bernafas dan mereka tidak mempunyai mitokondria - atau ciri organel kompleks eukariota. Atas sebab ini, proses pernafasan berlaku dalam serangan kecil membran plasma, sama seperti bagaimana ia berlaku di mitokondria.

Jenis-Jenis

Terdapat dua jenis pernafasan asas, bergantung pada molekul yang bertindak sebagai penerima akhir elektron. Dalam respirasi aerob, akseptor adalah oksigen, sementara dalam anaerobik ia adalah molekul anorganik - walaupun dalam beberapa kes tertentu akseptor adalah molekul organik. Kami akan menerangkan setiap satu secara terperinci di bawah:

Pernafasan aerobik

Dalam organisma pernafasan aerobik, akseptor akhir untuk elektron adalah oksigen. Langkah-langkah yang berlaku dibahagikan kepada kitaran Krebs dan rantai pengangkutan elektron.

Penjelasan terperinci mengenai reaksi yang berlaku di laluan biokimia ini akan dikembangkan di bahagian seterusnya.

Pernafasan anerobik

Penerima akhir terdiri daripada molekul selain oksigen. Jumlah ATP yang dihasilkan oleh respirasi anaerob bergantung kepada beberapa faktor, termasuk organisma yang dikaji dan laluan yang digunakan.

Walau bagaimanapun, pengeluaran tenaga selalu lebih tinggi dalam pernafasan aerobik, kerana kitaran Krebs hanya berfungsi secara separa dan tidak semua molekul transporter dalam rantai berpartisipasi dalam respirasi.

Atas sebab ini, pertumbuhan dan perkembangan individu anaerob jauh lebih rendah daripada yang aerobik.

Contohnya organisma anaerobik

Dalam beberapa organisma, oksigen beracun dan ia disebut anaerob ketat. Contoh yang paling terkenal ialah bakteria penyebab tetanus dan botulisme: Clostridium.

Selain itu, ada organisma lain yang dapat bergantian antara respirasi aerobik dan anaerob, yang disebut fakultatif anaerob. Dengan kata lain, mereka menggunakan oksigen apabila sesuai dengan mereka dan jika tidak, mereka menggunakan pernafasan anaerob. Contohnya, bakteria terkenal Escherichia coli mempunyai metabolisme ini.

Bakteria tertentu boleh menggunakan ion nitrat (NO ₃ ^- ) sebagai akseptor elektron akhir, seperti genera Pseudomonas dan Bacillus. Ion tersebut boleh diturunkan menjadi ion nitrit, oksida nitrat atau gas nitrogen.

Dalam kes lain, akseptor akhir terdiri daripada ion sulfat (SO ₄ ^2- ) yang menghasilkan hidrogen sulfida dan menggunakan karbonat untuk membentuk metana. Genul bakteria Desulfovibrio adalah contoh akseptor jenis ini.

Penerimaan elektron dalam molekul nitrat dan sulfat sangat penting dalam kitaran biogeokimia sebatian ini - nitrogen dan sulfur.

Proses

Glikolisis adalah jalan sebelum pernafasan selular. Ia bermula dengan molekul glukosa dan produk akhir adalah piruvat, molekul tiga karbon. Glikolisis berlaku di sitoplasma sel. Molekul ini mesti dapat memasuki mitokondria untuk meneruskan penurunannya.

Piruvat dapat meresap melalui kecerunan kepekatan ke dalam organel, melalui pori-pori membran. Tujuan terakhir adalah matriks mitokondria.

Sebelum memasuki langkah pertama pernafasan sel, molekul piruvat mengalami pengubahsuaian tertentu.

Pertama, ia bertindak balas dengan molekul yang disebut koenzim A. Setiap piruvat membelah menjadi karbon dioksida dan kumpulan asetil, yang mengikat pada koenzim A, sehingga menimbulkan kompleks koenzim A asil.

Dalam tindak balas ini, dua elektron dan ion hidrogen dipindahkan ke NADP ⁺ , menghasilkan NADH dan dikatalisis oleh kompleks enzim piruvat dehidrogenase. Tindak balas tersebut memerlukan serangkaian kofaktor.

Selepas pengubahsuaian ini, dua peringkat dalam pernafasan bermula: kitaran Krebs dan rantai pengangkutan elektron.

Kitaran Krebs

Kitaran Krebs adalah salah satu tindak balas kitaran yang paling penting dalam biokimia. Ia juga dikenali dalam literatur sebagai kitaran asid sitrik atau kitaran asid trikarboksilat (TCA).

Ia dinamakan sempena penemuanya: ahli biokimia Jerman Hans Krebs. Pada tahun 1953, Krebs dianugerahkan Hadiah Nobel untuk penemuan ini yang menandakan bidang biokimia.

Objektif kitaran adalah pembebasan secara beransur-ansur tenaga yang terkandung dalam asetil koenzim A. Ia terdiri daripada rangkaian tindak balas pengoksidaan dan pengurangan yang memindahkan tenaga ke molekul yang berbeza, terutamanya NAD ⁺ .

Untuk setiap dua molekul asetil koenzim A yang memasuki kitaran, empat molekul karbon dioksida dilepaskan, enam molekul NADH dan dua molekul FADH ₂ dihasilkan . CO ₂ dilepaskan ke atmosfer sebagai bahan buangan dari proses tersebut. GTP juga dihasilkan.

Oleh kerana jalan ini mengambil bahagian dalam proses anabolik (sintesis molekul) dan katabolik (degradasi molekul), ia disebut "amfibolik".

Tindak balas kitaran Krebs

Kitaran bermula dengan peleburan molekul asetil koenzim A dengan molekul oksaloasetat. Kesatuan ini menimbulkan molekul enam karbon: sitrat. Oleh itu, koenzim A. dilepaskan. Sebenarnya, ia digunakan berulang kali. Sekiranya terdapat terlalu banyak ATP di dalam sel, langkah ini dihambat.

Tindak balas di atas memerlukan tenaga dan memperolehnya daripada memutuskan ikatan tenaga tinggi antara kumpulan asetil dan koenzim A.

Sitrat ditukar menjadi cis aconitate, dan ditukar menjadi isocitrate oleh enzim aconitase. Langkah seterusnya ialah penukaran isocitrate menjadi alpha ketoglutarate oleh dehydrogenated isocitrate. Tahap ini relevan kerana membawa kepada pengurangan NADH dan membebaskan karbon dioksida.

Alpha ketoglutarate diubah menjadi suksinil koenzim A oleh alpha ketoglutarate dehydrogenase, yang menggunakan kofaktor yang sama dengan piruvat kinase. NADH juga dihasilkan dalam langkah ini dan, sebagai langkah awal, dihambat oleh ATP yang berlebihan.

Produk seterusnya adalah ringkas. Dalam penghasilannya, pembentukan GTP berlaku. Succinate berubah menjadi fumarate. Tindak balas ini menghasilkan FADH. Fumarate, pada gilirannya, menjadi malate dan akhirnya oxaloacetate.

Rantaian pengangkutan elektron

Tujuan rantai pengangkutan elektron adalah untuk mengambil elektron dari sebatian yang dihasilkan pada langkah sebelumnya, seperti NADH dan FADH ₂ , yang berada pada tahap tenaga tinggi, dan membawa mereka ke tahap tenaga yang lebih rendah.

Penurunan tenaga ini berlaku selangkah demi selangkah, iaitu, ia tidak berlaku secara tiba-tiba. Ini terdiri daripada satu siri langkah di mana reaksi redoks berlaku.

Komponen utama rantai adalah kompleks yang dibentuk oleh protein dan enzim yang digabungkan dengan sitokrom: metalloporphyrins jenis heme.

Sitokrom agak serupa dari segi strukturnya, walaupun masing-masing mempunyai kekhususan yang memungkinkannya melakukan fungsi spesifiknya dalam rantai, menyanyikan elektron pada tahap tenaga yang berbeza.

Pergerakan elektron melalui rantai pernafasan ke tahap yang lebih rendah, menghasilkan pembebasan tenaga. Tenaga ini dapat digunakan dalam mitokondria untuk mensintesis ATP, dalam proses yang dikenali sebagai fosforilasi oksidatif.

Gandingan chemosmotic

Untuk sekian lama mekanisme pembentukan ATP dalam rantai itu adalah teka-teki, sehingga ahli biokimia Peter Mitchell mencadangkan penggabungan chemosmotic.

Dalam fenomena ini, kecerunan proton terbentuk di membran mitokondria dalaman. Tenaga yang terkandung dalam sistem ini dilepaskan dan digunakan untuk mensintesis ATP.

Jumlah ATP yang dibentuk

Seperti yang kita lihat, ATP tidak terbentuk secara langsung dalam kitaran Krebs, tetapi dalam rantai pengangkutan elektron. Untuk setiap dua elektron yang mengalir dari NADH ke oksigen, sintesis tiga molekul ATP berlaku. Anggaran ini mungkin sedikit berbeza bergantung pada literatur yang dibincangkan.

Begitu juga, untuk setiap dua elektron yang melewati FADH ₂ , dua molekul ATP terbentuk.

ciri-ciri

Fungsi utama pernafasan sel adalah penjanaan tenaga dalam bentuk ATP untuk dapat mengarahkannya ke fungsi sel.

Kedua-dua haiwan dan tumbuhan perlu mengeluarkan tenaga kimia yang terkandung dalam molekul organik yang mereka gunakan untuk makanan. Bagi sayur-sayuran, molekul-molekul ini adalah gula yang disintesis oleh tumbuhan itu sendiri dengan penggunaan tenaga suria dalam proses fotosintetik yang terkenal.

Haiwan, sebaliknya, tidak mampu mensintesis makanan mereka sendiri. Oleh itu, heterotrof mengambil makanan dalam makanan - seperti kita, sebagai contoh. Proses pengoksidaan berperanan mengekstrak tenaga dari makanan.

Kita tidak boleh mengelirukan fungsi fotosintesis dengan fungsi pernafasan. Tumbuhan, seperti haiwan, juga bernafas. Kedua-dua proses itu saling melengkapi dan mengekalkan dinamika dunia hidup.

Rujukan

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Pengenalan biologi sel. Panamerican Medical Ed.
2. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Kehidupan di Bumi. Pendidikan Pearson.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2008). Curtis. Biologi. Panamerican Medical Ed.
4. Hickman, CP, Roberts, LS, Larson, A., Ober, WC, & Garrison, C. (2007). Prinsip bersepadu zoologi. McGraw-Hill.
5. Randall, D., Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Fisiologi haiwan Eckert. Macmillan.
6. Tortora, GJ, Funke, BR, & Case, CL (2007). Pengenalan mikrobiologi. Panamerican Medical Ed.
7. Young, B., Heath, JW, Lowe, JS, Stevens, A., & Wheater, PR (2000). Histologi fungsional: teks dan atlas berwarna. Harcourt.