Uvod v vrste dihanja
Pri vdihu se diafragma skrči, pljuča pa se razširijo in potisnejo prsni koš navzgor. Pri izdihu se diafragma sprosti in pljuča skrčijo, prsni koš pa se pomakne nazaj navzdol. wetcake/DigitalVision Vectors/Getty Images
Zunanje dihanje
Eden od načinov pridobivanja kisika iz okolja je z zunanjim dihanjem. V živalskih organizmih se proces zunanjega dihanja izvaja na več različnih načinov. Živali, ki niso specializirane organov za dihanje se zanašajo na difuzijo po zunanjih površinah tkiva za pridobivanje kisika. Drugi imajo organe, specializirane za izmenjavo plinov, ali pa imajo popolno dihalni sistem . V organizmih, kot je npr nematode (okrogli črvi) se plini in hranila izmenjujejo z zunanjim okoljem z difuzijo po površini telesa živali. Insekti inpajkiimajo dihalne organe imenujemo sapniki, medtem ko imajo ribe škrge kot mesta za izmenjavo plinov.
Ljudje in drugo sesalci imajo dihalni sistem s posebnimi dihalnimi organi ( pljuča ) in robčki. V človeškem telesu se kisik v pljuča vnese z vdihavanjem, ogljikov dioksid pa se iz pljuč izloči z izdihom. Zunanje dihanje pri sesalcih zajema mehanske procese, povezane z dihanjem. To vključuje krčenje in sprostitev diafragme in pripomočka mišice , kot tudi hitrost dihanja.
Notranje dihanje
Zunanji dihalni procesi pojasnjujejo, kako se kisik pridobiva in kako kisik pride do njega telesnih celic ? Notranje dihanje vključuje transport plinov med krvi in telesna tkiva. Kisik znotraj pljuča razprši čez tanko epitelija pljučnih alveolov (zračnih vrečk) v okolico kapilare ki vsebuje kri, osiromašeno s kisikom. Hkrati ogljikov dioksid difundira v nasprotni smeri (iz krvi v pljučne alveole) in se izloči. S kisikom bogato kri prenaša cirkulacijski sistem iz pljučnih kapilar v telesne celice in tkiva. Medtem ko kisik odhaja v celice, se ogljikov dioksid pobira in prenaša iz tkivnih celic v pljuča.
Celično dihanje
Trije procesi proizvodnje ATP ali celičnega dihanja vključujejo glikolizo, cikel trikarboksilne kisline in oksidativno fosforilacijo. Zasluge: Encyclopaedia Britannica/UIG/Getty Images
Kisik, pridobljen z notranjim dihanjem, se uporablja za celice v celično dihanje . Za dostop do energije, shranjene v živilih, ki jih jemo, biološke molekule, ki sestavljajo živila ( ogljikovi hidrati , beljakovine itd.) je treba razgraditi v oblike, ki jih telo lahko uporabi. To se doseže s pomočjo prebavni proces kjer se hrana razgradi in hranilne snovi absorbirajo v kri. Ko kri kroži po telesu, se hranila prenašajo v telesne celice. Pri celičnem dihanju se glukoza, pridobljena s prebavo, razdeli na svoje sestavne dele za proizvodnjo energije. Skozi niz korakov se glukoza in kisik pretvorita v ogljikov dioksid (COdva), voda (HdvaO) in visoko energijsko molekulo adenozin trifosfata (ATP). Ogljikov dioksid in voda, ki nastaneta pri tem, difundirata v intersticijsko tekočino, ki obdaja celice. Od tam je COdvadifundira v krvno plazmo in rdeče krvne celice . ATP, ki nastane v procesu, zagotavlja energijo, potrebno za izvajanje normalnih celičnih funkcij, kot so sinteza makromolekul, krčenje mišic, cilije in bički gibanje, in delitev celic .
Aerobno dihanje
CC BY-SA 3.0 ' id='mntl-sc-block-image_2-0-11' />To je diagram aerobnega celičnega dihanja, vključno z glikolizo, Krebsovim ciklom (cikel citronske kisline) in transportno verigo elektronov. RegisFrey/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0
Aerobno celično dihanje je sestavljen iz treh stopenj: glikoliza , cikel citronske kisline (Krebsov cikel) in transport elektronov z oksidativno fosforilacijo.
- Transportna veriga elektronov je serija proteinskih kompleksov nosilcev elektronov znotraj mitohondrijske notranje membrane. NADH in FADHdvaki nastanejo v Krebsovem ciklu, prenašajo svojo energijo v transportni verigi elektronov za transport protonov in elektronov v medmembranski prostor. Visoko koncentracijo vodikovih protonov v medmembranskem prostoru izkoristi proteinski kompleks ATP sintaza za transport protonov nazaj v matriks. To zagotavlja energijo za fosforilacijo ADP v ATP. Prenos elektronov in oksidativna fosforilacija sta odgovorna za nastanek 34 molekul ATP.
- ' Kako delujejo pljuča .' Nacionalni inštitut za srce, pljuča in kri , Ministrstvo za zdravje in socialne zadeve ZDA,.
- Lodish, Harvey. ' Transport elektronov in oksidativna fosforilacija .' Aktualna poročila o nevrologiji in nevroznanosti , Ameriška nacionalna medicinska knjižnica, 1. januar 1970, .
- Oren, Aharon. ' Anaerobno dihanje .' Kanadski časopis za kemijsko inženirstvo , Wiley-Blackwell, 15. september 2009.
Skupno proizvede 38 molekul ATP prokariontov pri oksidaciji ene same molekule glukoze. To število se pri evkariontih zmanjša na 36 molekul ATP, saj se pri prenosu NADH v mitohondrije porabita dva ATP.
Fermentacija
Procesi alkoholne in laktatne fermentacije. Vtvu/Wikimedia Commons/CC BY-SA
Aerobno dihanje poteka samo v prisotnosti kisika. Ko je oskrba s kisikom nizka, lahko v celici nastane le majhna količina ATP citoplazma z glikolizo. Čeprav piruvat ne more vstopiti v Krebsov cikel ali transportno verigo elektronov brez kisika, ga je še vedno mogoče uporabiti za ustvarjanje dodatnega ATP s fermentacijo. Fermentacija je druga vrsta celičnega dihanja, kemični proces za razgradnjo ogljikovi hidrati v manjše spojine za proizvodnjo ATP. V primerjavi z aerobnim dihanjem pri fermentaciji nastane le majhna količina ATP. To je zato, ker se glukoza le delno razgradi. Nekateri organizmi so fakultativni anaerobi in lahko uporabljajo tako fermentacijo (ko je kisika malo ali ni na voljo) kot aerobno dihanje (ko je kisik na voljo). Dve pogosti vrsti fermentacije sta mlečnokislinska fermentacija in alkoholna (etanolna) fermentacija. Glikoliza je prva stopnja vsakega procesa.
Mlečnokislinska fermentacija
Pri mlečnokislinski fermentaciji NADH, piruvat in ATP nastajajo z glikolizo. NADH se nato pretvori v nizkoenergijsko obliko NAD+, medtem ko se piruvat pretvori v laktat. NAD+se reciklira nazaj v glikolizo, da se ustvari več piruvata in ATP. Mlečnokislinsko fermentacijo običajno izvajajo mišica celice, ko zmanjka kisika. Laktat se pretvori v mlečno kislino, ki se med vadbo lahko kopiči v velikih količinah v mišičnih celicah. Mlečna kislina poveča kislost mišic in povzroči pekoč občutek, ki se pojavi pri ekstremnih naporih. Ko se normalna raven kisika ponovno vzpostavi, lahko piruvat vstopi v aerobno dihanje in ustvari se lahko veliko več energije za pomoč pri okrevanju. Povečan pretok krvi pomaga pri dovajanju kisika v mišične celice in odstranjevanju mlečne kisline iz njih.
Alkoholna fermentacija
Pri alkoholnem vrenju se piruvat pretvori v etanol in COdva. ONI+prav tako nastane pri pretvorbi in se reciklira nazaj v glikolizo, da proizvede več molekul ATP. Alkoholno vrenje izvajamo s rastline , kvasovke in nekatere vrste bakterij. Ta postopek se uporablja pri proizvodnji alkoholnih pijač, goriva in pekovskih izdelkov.
Anaerobno dihanje
Bifidobakterije so po Gramu pozitivne anaerobne bakterije, ki živijo v prebavnem traktu. KATERYNA KON/Knjižnica znanstvene fotografije/Getty Images
Kako ekstremofili kot nekateri bakterije in arhejci preživeti v okolju brez kisika? Odgovor je anaerobno dihanje. Ta vrsta dihanja poteka brez kisika in vključuje porabo druge molekule (nitrat, žveplo, železo, ogljikov dioksid itd.) namesto kisika. Za razliko od fermentacije, anaerobno dihanje vključuje tvorbo elektrokemičnega gradienta s sistemom za transport elektronov, ki ima za posledico proizvodnjo številnih molekul ATP. Za razliko od aerobnega dihanja je končni prejemnik elektrona molekula, ki ni kisik. Številni anaerobni organizmi so obvezni anaerobi; ne izvajajo oksidativne fosforilacije in umrejo v prisotnosti kisika. Drugi so fakultativni anaerobi in lahko izvajajo tudi aerobno dihanje, ko je na voljo kisik.