Įvadas į kvėpavimo tipus

Įkvėpus diafragma susitraukia, o plaučiai plečiasi, stumdami krūtinę aukštyn. Iškvepiant diafragma atsipalaiduoja, o plaučiai susitraukia, o krūtinė nukeliauja atgal.

wetcake/DigitalVision Vectors/Getty Images

Išorinis kvėpavimas

Vienas iš būdų gauti deguonį iš aplinkos yra išorinis kvėpavimas arba kvėpavimas. Gyvūnų organizmuose išorinis kvėpavimas vyksta įvairiais būdais. Gyvūnai, kuriems trūksta specialybės organai kvėpavimui pasikliauti difuzija per išorinius audinių paviršius, kad gautų deguonies. Kiti arba turi organus, skirtus dujų mainams, arba visą Kvėpavimo sistema . Tokiuose organizmuose kaip nematodai (apvaliosios kirmėlės), dujos ir maistinės medžiagos keičiasi su išorine aplinka difuzijos būdu gyvūno kūno paviršiuje. Vabzdžiai irvoraiturėti kvėpavimo organai vadinamos trachėjomis, o žuvys turi žiaunas kaip dujų mainų vietas.

Žmonės ir kiti žinduoliai turite kvėpavimo sistemą su specializuotais kvėpavimo organais ( plaučiai ) ir audinius. Žmogaus organizme deguonis į plaučius patenka įkvepiant, o iškvepiant iš plaučių pašalinamas anglies dioksidas. Išorinis žinduolių kvėpavimas apima mechaninius procesus, susijusius su kvėpavimu. Tai apima diafragmos ir priedo susitraukimą ir atsipalaidavimą raumenis , taip pat kvėpavimo dažnis.

Vidinis kvėpavimas

Išoriniai kvėpavimo procesai paaiškina, kaip deguonis gaunamas, bet kaip į jį patenka kūno ląstelės ? Vidinis kvėpavimas apima dujų transportavimą tarp kraujo ir kūno audinius. Deguonis viduje plaučiai pasklinda per ploną epitelis plaučių alveolių (oro maišelių) į aplinką kapiliarai kuriame yra deguonies prisotinto kraujo. Tuo pačiu metu anglies dioksidas pasklinda priešinga kryptimi (iš kraujo į plaučių alveoles) ir pašalinamas. Deguonies turtingas kraujas transportuojamas kraujotakos sistema nuo plaučių kapiliarų iki kūno ląstelių ir audinių. Kol deguonis patenka į ląsteles, anglies dioksidas surenkamas ir transportuojamas iš audinių ląstelių į plaučius.

Ląstelinis kvėpavimas

Trys ATP gamybos arba ląstelių kvėpavimo procesai apima glikolizę, trikarboksirūgšties ciklą ir oksidacinį fosforilinimą. Autorius: Encyclopaedia Britannica / UIG / Getty Images

Deguonis, gautas iš vidinio kvėpavimo, naudojamas ląstelės in ląstelinis kvėpavimas . Norėdami gauti energijos, sukauptos mūsų valgomuose maisto produktuose, biologinės molekulės, sudarančios maistą ( angliavandenių , baltymai ir tt) turi būti suskirstyti į formas, kurias organizmas gali panaudoti. Tai pasiekiama per virškinimo procesas kur suskaidomas maistas ir į kraują patenka maistinės medžiagos. Kai kraujas cirkuliuoja visame kūne, maistinės medžiagos yra transportuojamos į kūno ląsteles. Ląstelinio kvėpavimo metu gliukozė, gaunama virškinant, suskaidoma į sudedamąsias dalis energijai gaminti. Per kelis veiksmus gliukozė ir deguonis paverčiami anglies dioksidu (CO_du), vanduo (H_duO) ir didelės energijos molekulė adenozino trifosfatas (ATP). Proceso metu susidaręs anglies dioksidas ir vanduo difunduoja į ląsteles supantį intersticinį skystį. Iš ten CO_dudifunduoja į kraujo plazmą ir raudonieji kraujo kūneliai . Proceso metu susidaręs ATP suteikia energijos, reikalingos normalioms ląstelių funkcijoms, tokioms kaip makromolekulių sintezė, raumenų susitraukimas, atlikti, blakstienos ir žvyneliai judėjimas ir ląstelių dalijimasis .

Aerobinis kvėpavimas

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

Tai yra aerobinio ląstelių kvėpavimo diagrama, įskaitant glikolizę, Krebso ciklą (citrinų rūgšties ciklą) ir elektronų transportavimo grandinę. RegisFrey / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Aerobinis ląstelių kvėpavimas susideda iš trijų etapų: glikolizė , citrinos rūgšties ciklas (Krebso ciklas) ir elektronų pernešimas su oksidaciniu fosforilinimu.

Glikolizėatsiranda citoplazma ir apima gliukozės oksidaciją arba skaidymą į piruvatą. Glikolizės metu taip pat susidaro dvi ATP molekulės ir dvi didelės energijos NADH molekulės. Esant deguoniui, piruvatas patenka į vidinę ląstelės matricą mitochondrijos ir toliau oksiduojasi Krebso cikle. Krebso ciklas: Šiame cikle kartu su CO susidaro dvi papildomos ATP molekulės_du, papildomi protonai ir elektronai bei didelės energijos molekulės NADH ir FADH_du. Krebso ciklo metu susidarę elektronai juda per vidinės membranos (cristae) raukšles, kurios atskiria mitochondrijų matricą (vidinį skyrių) nuo tarpmembraninės erdvės (išorinio skyriaus). Tai sukuria elektrinį gradientą, kuris padeda elektronų transportavimo grandinei pumpuoti vandenilio protonus iš matricos į tarpmembraninę erdvę.
• Elektronų transportavimo grandinė yra elektronų nešiklio baltymų kompleksų serija mitochondrijų vidinėje membranoje. NADH ir FADH_dususidarę Krebso cikle, perduoda savo energiją elektronų transportavimo grandinėje, kad perneštų protonus ir elektronus į tarpmembraninę erdvę. Didelę vandenilio protonų koncentraciją tarpmembraninėje erdvėje panaudoja baltymų kompleksas ATP sintazė pernešti protonus atgal į matricą. Tai suteikia energijos ADP fosforilinimui į ATP. Dėl elektronų pernešimo ir oksidacinio fosforilinimo susidaro 34 ATP molekulės.

Iš viso gamina 38 ATP molekules prokariotai vienos gliukozės molekulės oksidacijoje. Šis skaičius sumažintas iki 36 ATP molekulių eukariotuose, nes du ATP sunaudojami perduodant NADH į mitochondrijas.

Fermentacija

Alkoholio ir laktato fermentacijos procesai. Vtvu / Wikimedia Commons / CC BY-SA

Aerobinis kvėpavimas vyksta tik esant deguoniui. Kai deguonies tiekimas yra mažas, ląstelėje gali susidaryti tik nedidelis ATP kiekis citoplazma glikolizės būdu. Nors piruvatas negali patekti į Krebso ciklą arba elektronų transportavimo grandinę be deguonies, jis vis tiek gali būti naudojamas papildomam ATP generuoti fermentacijos būdu. Fermentacija yra kitas ląstelių kvėpavimo tipas, cheminis procesas, skirtas suskaidyti angliavandenių į mažesnius junginius ATP gamybai. Palyginti su aerobiniu kvėpavimu, fermentacijos metu susidaro tik nedidelis ATP kiekis. Taip yra todėl, kad gliukozė suskaidoma tik iš dalies. Kai kurie organizmai yra fakultatyvūs anaerobai ir gali panaudoti tiek fermentaciją (kai trūksta deguonies arba jo nėra), tiek aerobinį kvėpavimą (kai yra deguonies). Du įprasti fermentacijos tipai yra pieno rūgšties fermentacija ir alkoholinė (etanolinė) fermentacija. Glikolizė yra pirmasis kiekvieno proceso etapas.

Pieno rūgšties fermentacija

Pieno rūgšties fermentacijos metu glikolizės būdu susidaro NADH, piruvatas ir ATP. Tada NADH paverčiamas mažos energijos NAD forma⁺, o piruvatas virsta laktatu. NAD⁺yra perdirbamas atgal į glikolizę, kad susidarytų daugiau piruvato ir ATP. Pieno rūgšties fermentaciją dažniausiai atlieka Raumuo ląstelių, kai išsenka deguonies lygis. Laktatas paverčiamas pieno rūgštimi, kuri fizinio krūvio metu gali kauptis dideliu kiekiu raumenų ląstelėse. Pieno rūgštis padidina raumenų rūgštingumą ir sukelia deginimo pojūtį, kuris atsiranda didelio krūvio metu. Kai atkuriamas normalus deguonies lygis, piruvatas gali patekti į aerobinį kvėpavimą ir gali būti sukurta daug daugiau energijos, kad būtų lengviau atsigauti. Padidėjęs kraujo tekėjimas padeda tiekti deguonį į raumenų ląsteles ir pašalinti pieno rūgštį iš jų.

Alkoholinė fermentacija

Alkoholinės fermentacijos metu piruvatas paverčiamas etanoliu ir CO_du. JIE⁺taip pat susidaro konversijos metu ir grąžinamas atgal į glikolizę, kad susidarytų daugiau ATP molekulių. Alkoholinę fermentaciją atlieka augalai , mielės ir kai kurios bakterijų rūšys. Šis procesas naudojamas alkoholinių gėrimų, degalų ir kepinių gamyboje.

Anaerobinis kvėpavimas

Bifidobakterijos yra gramteigiamos anaerobinės bakterijos, gyvenančios virškinimo trakte. KATERYNA KON/Science Photo Library/Getty Images

Kaip daryti ekstremofilai kaip kai kurie bakterijos ir archeanai išgyventi aplinkoje be deguonies? Atsakymas yra anaerobinis kvėpavimas. Šio tipo kvėpavimas vyksta be deguonies ir yra susijęs su kitos molekulės (nitratų, sieros, geležies, anglies dioksido ir kt.) suvartojimu vietoj deguonies. Skirtingai nuo fermentacijos, anaerobinis kvėpavimas apima elektrocheminio gradiento susidarymą elektronų transportavimo sistemoje, dėl kurio susidaro daugybė ATP molekulių. Skirtingai nuo aerobinio kvėpavimo, galutinis elektronų gavėjas yra ne deguonies molekulė. Daugelis anaerobinių organizmų yra privalomi anaerobai; jie neatlieka oksidacinio fosforilinimo ir miršta esant deguoniui. Kiti yra fakultatyvūs anaerobai ir taip pat gali atlikti aerobinį kvėpavimą, kai yra deguonies.

Šaltiniai

• ' Kaip veikia plaučiai .' Nacionalinis širdies plaučių ir kraujo institutas , JAV sveikatos ir žmogiškųjų paslaugų departamentas.
• Lodisai, Harvi. “ Elektronų transportavimas ir oksidacinis fosforilinimas .' Dabartinės neurologijos ir neurologijos ataskaitos , JAV nacionalinė medicinos biblioteka, 1970 m. sausio 1 d.
• Orenas, Aharonas. ' Anaerobinis kvėpavimas .' Kanados chemijos inžinerijos žurnalas , Wiley-Blackwell, 2009 m. rugsėjo 15 d.