Úvod do typov dýchania
Pri nádychu sa bránica stiahne a pľúca sa roztiahnu, čím sa hrudník vytlačí nahor. Pri výdychu sa bránica uvoľní a pľúca sa stiahnu, pričom sa hrudník posunie späť nadol. wetcake/DigitalVision Vectors/Getty Images
Vonkajšie dýchanie
Jedným zo spôsobov získavania kyslíka z prostredia je vonkajšie dýchanie alebo dýchanie. V živočíšnych organizmoch sa proces vonkajšieho dýchania vykonáva mnohými rôznymi spôsobmi. Zvieratá, ktorým chýba špecializácia orgánov pri dýchaní sa spolieha na difúziu cez vonkajšie povrchy tkanív, aby sa získal kyslík. Iní majú buď orgány špecializované na výmenu plynov, alebo majú kompletné dýchací systém . V organizmoch ako napr háďatká (škrkavky) sa plyny a živiny vymieňajú s vonkajším prostredím difúziou po povrchu tela živočíchov. Hmyz apavúkovmať dýchacie orgány nazývané priedušnice, zatiaľ čo ryby majú žiabre ako miesta na výmenu plynov.
Ľudia a iné cicavcov majú dýchací systém so špecializovanými dýchacími orgánmi ( pľúca ) a tkanivá. V ľudskom tele sa kyslík dostáva do pľúc vdychovaním a oxid uhličitý sa z pľúc vylučuje výdychom. Vonkajšie dýchanie u cicavcov zahŕňa mechanické procesy súvisiace s dýchaním. To zahŕňa kontrakciu a relaxáciu bránice a príslušenstva svaly , ako aj rýchlosť dýchania.
Vnútorné dýchanie
Vonkajšie dýchacie procesy vysvetľujú, ako sa kyslík získava, ale ako sa kyslík dostáva telových buniek ? Vnútorné dýchanie zahŕňa prepravu plynov medzi krvi a telesné tkanivá. Kyslík vo vnútri pľúca difunduje cez tenk epitel pľúcnych alveol (vzduchových vakov) do okolia kapiláry obsahujúce krv ochudobnenú o kyslík. Súčasne oxid uhličitý difunduje v opačnom smere (z krvi do pľúcnych alveol) a je vypudzovaný. Krv bohatá na kyslík je transportovaná pomocou obehový systém z pľúcnych kapilár do telesných buniek a tkanív. Zatiaľ čo bunkám uniká kyslík, oxid uhličitý sa zachytáva a transportuje z tkanivových buniek do pľúc.
Bunkové dýchanie
Tri procesy produkcie ATP alebo bunkovej respirácie zahŕňajú glykolýzu, cyklus trikarboxylových kyselín a oxidačnú fosforyláciu. Poďakovanie: Encyclopaedia Britannica/UIG/Getty Images
Kyslík získaný vnútorným dýchaním sa využíva o bunky v bunkové dýchanie . Aby sme získali prístup k energii uloženej v potravinách, ktoré jeme, biologické molekuly tvoriace potraviny ( sacharidy , bielkoviny atď.) musia byť rozdelené do foriem, ktoré telo dokáže využiť. To sa dosiahne prostredníctvom tráviaci proces kde dochádza k rozkladu potravy a vstrebávaniu živín do krvi. Keď krv cirkuluje v celom tele, živiny sa transportujú do buniek tela. Pri bunkovom dýchaní sa glukóza získaná trávením štiepi na jednotlivé časti na výrobu energie. Prostredníctvom série krokov sa glukóza a kyslík premieňajú na oxid uhličitý (COdva), voda (HdvaO) a vysokoenergetická molekula adenozíntrifosfátu (ATP). Oxid uhličitý a voda vznikajúce v procese difundujú do intersticiálnej tekutiny obklopujúcej bunky. Odtiaľ COdvadifunduje do krvnej plazmy a červené krvinky . ATP generovaný v procese poskytuje energiu potrebnú na vykonávanie normálnych bunkových funkcií, ako je syntéza makromolekúl, svalová kontrakcia, mihalnice a bičíky pohyb, a bunkové delenie .
Aeróbne dýchanie
CC BY-SA 3.0 ' id='mntl-sc-block-image_2-0-11' />Toto je schéma aeróbneho bunkového dýchania vrátane glykolýzy, Krebsov cyklus (cyklus kyseliny citrónovej) a reťazec transportu elektrónov. RegisFrey/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0
Aeróbne bunkové dýchanie pozostáva z troch etáp: glykolýza , cyklus kyseliny citrónovej (Krebsov cyklus) a transport elektrónov s oxidačnou fosforyláciou.
- Elektrónový transportný reťazec je séria proteínových komplexov nosičov elektrónov vo vnútornej membráne mitochondrií. NADH a FADHdvagenerované v Krebsovom cykle prenášajú svoju energiu v reťazci transportu elektrónov na transport protónov a elektrónov do medzimembránového priestoru. Vysoká koncentrácia vodíkových protónov v medzimembránovom priestore je využívaná proteínovým komplexom ATP syntáza na transport protónov späť do matrice. To poskytuje energiu na fosforyláciu ADP na ATP. Elektrónový transport a oxidačná fosforylácia zodpovedajú za tvorbu 34 molekúl ATP.
- ' Ako fungujú pľúca .' Národný inštitút srdca, pľúc a krvi , Ministerstvo zdravotníctva a sociálnych služieb USA,.
- Lodish, Harvey. ' Elektrónový transport a oxidačná fosforylácia .' Aktuálne správy z neurológie a neurovedy , U.S. National Library of Medicine, 1. januára 1970, .
- Oren, Aharon. ' Anaeróbne dýchanie .' The Canadian Journal of Chemical Engineering , Wiley-Blackwell, 15. september 2009.
Celkovo sa vyrába 38 molekúl ATP prokaryoty pri oxidácii jednej molekuly glukózy. Tento počet je znížený na 36 molekúl ATP v eukaryotoch, pretože dva ATP sa spotrebujú pri prenose NADH do mitochondrií.
Fermentácia
Procesy alkoholovej a laktátovej fermentácie. Vtvu/Wikimedia Commons/CC BY-SA
Aeróbne dýchanie sa vyskytuje iba v prítomnosti kyslíka. Keď je prísun kyslíka nízky, v bunke sa môže generovať len malé množstvo ATP cytoplazme glykolýzou. Hoci pyruvát nemôže vstúpiť do Krebsovho cyklu alebo reťazca transportu elektrónov bez kyslíka, stále môže byť použitý na generovanie ďalšieho ATP fermentáciou. Fermentácia je ďalší typ bunkového dýchania, chemický proces rozkladu sacharidy na menšie zlúčeniny na výrobu ATP. V porovnaní s aeróbnym dýchaním sa pri fermentácii produkuje len malé množstvo ATP. Je to spôsobené tým, že glukóza sa rozkladá len čiastočne. Niektoré organizmy sú fakultatívne anaeróby a môžu využívať fermentáciu (keď je kyslík nízky alebo nedostupný) aj aeróbne dýchanie (keď je kyslík dostupný). Dva bežné typy fermentácie sú mliečna fermentácia a alkoholová (etanolová) fermentácia. Glykolýza je prvým stupňom každého procesu.
Fermentácia kyselinou mliečnou
Pri fermentácii kyseliny mliečnej sa NADH, pyruvát a ATP vyrábajú glykolýzou. NADH sa potom premení na svoju nízkoenergetickú formu NAD+, zatiaľ čo pyruvát sa premieňa na laktát. NAD+sa recykluje späť na glykolýzu, aby sa vytvorilo viac pyruvátu a ATP. Mliečna fermentácia sa bežne vykonáva pomocou sval bunky, keď sa zníži hladina kyslíka. Laktát sa premieňa na kyselinu mliečnu, ktorá sa môže počas cvičenia hromadiť vo vysokých hladinách vo svalových bunkách. Kyselina mliečna zvyšuje kyslosť svalov a spôsobuje pocit pálenia, ku ktorému dochádza pri extrémnej námahe. Po obnovení normálnych hladín kyslíka môže pyruvát vstúpiť do aeróbneho dýchania a môže sa generovať oveľa viac energie na pomoc pri regenerácii. Zvýšený prietok krvi pomáha dodávať kyslík a odstraňovať kyselinu mliečnu zo svalových buniek.
Alkoholové kvasenie
Pri alkoholovej fermentácii sa pyruvát premieňa na etanol a COdva. ONI+sa tiež generuje pri konverzii a recykluje sa späť do glykolýzy, aby sa vytvorilo viac molekúl ATP. Alkoholové kvasenie sa vykonáva o rastliny , kvasinky a niektoré druhy baktérií. Tento proces sa používa pri výrobe alkoholických nápojov, palív a pečiva.
Anaeróbne dýchanie
Bifidobaktérie sú grampozitívne anaeróbne baktérie, ktoré žijú v gastrointestinálnom trakte. KATERYNA KON/Science Photo Library/Getty Images
Ako robiť extrémofilov ako niektorí baktérie a archaeovia prežiť v prostredí bez kyslíka? Odpoveďou je anaeróbne dýchanie. Tento typ dýchania prebieha bez kyslíka a zahŕňa spotrebu inej molekuly (dusičnanu, síry, železa, oxidu uhličitého atď.) namiesto kyslíka. Na rozdiel od fermentácie, anaeróbne dýchanie zahŕňa tvorbu elektrochemického gradientu elektrónovým transportným systémom, ktorý vedie k produkcii množstva molekúl ATP. Na rozdiel od aeróbneho dýchania je konečným príjemcom elektrónu molekula iná ako kyslík. Mnohé anaeróbne organizmy sú povinné anaeróby; nevykonávajú oxidačnú fosforyláciu a odumierajú v prítomnosti kyslíka. Iné sú fakultatívne anaeróbne a môžu tiež vykonávať aeróbne dýchanie, keď je k dispozícii kyslík.