Een inleiding tot soorten ademhaling

Bij het inademen trekt het middenrif samen en zetten de longen uit, waardoor de borstkas omhoog wordt geduwd. Bij het uitademen ontspant het middenrif en trekken de longen samen, waardoor de borstkas weer naar beneden beweegt.

wetcake/DigitalVision Vectoren/Getty Images

Externe ademhaling

Een methode voor het verkrijgen van zuurstof uit de omgeving is door externe ademhaling of ademhaling. In dierlijke organismen wordt het proces van externe ademhaling op een aantal verschillende manieren uitgevoerd. Dieren die niet gespecialiseerd zijn organen voor ademhaling vertrouwen op diffusie over externe weefseloppervlakken om zuurstof te verkrijgen. Anderen hebben organen die gespecialiseerd zijn voor gasuitwisseling of hebben een compleet ademhalingssysteem . In organismen zoals nematoden (spoelwormen), gassen en voedingsstoffen worden uitgewisseld met de externe omgeving door diffusie over het oppervlak van het lichaam van het dier. insecten enspinnenhebben ademhalingsorganen luchtpijp genoemd, terwijl vissen kieuwen hebben als plaatsen voor gasuitwisseling.

Mensen en anderen zoogdieren een ademhalingssysteem heeft met gespecialiseerde ademhalingsorganen ( longen ) en weefsels. In het menselijk lichaam wordt zuurstof in de longen opgenomen door inademing en koolstofdioxide wordt uit de longen verdreven door uitademing. Externe ademhaling bij zoogdieren omvat de mechanische processen die verband houden met de ademhaling. Dit omvat samentrekking en ontspanning van het middenrif en accessoire spieren , evenals de ademhalingsfrequentie.

Interne ademhaling

Externe ademhalingsprocessen verklaren hoe zuurstof wordt verkregen, maar hoe komt zuurstof? lichaamscellen ? Interne ademhaling omvat het transport van gassen tussen de bloed en lichaamsweefsels. Zuurstof in de longen diffundeert over de dunne epitheel van longblaasjes (luchtzakjes) naar de omgeving haarvaten met zuurstofarm bloed. Tegelijkertijd diffundeert koolstofdioxide in de tegenovergestelde richting (van het bloed naar de longblaasjes) en wordt het uitgestoten. Zuurstofrijk bloed wordt getransporteerd door de bloedsomloop van longcapillairen tot lichaamscellen en weefsels. Terwijl zuurstof wordt afgegeven aan cellen, wordt koolstofdioxide opgepikt en getransporteerd van weefselcellen naar de longen.

Cellulaire ademhaling

De drie processen van ATP-productie of cellulaire ademhaling omvatten glycolyse, de tricarbonzuurcyclus en oxidatieve fosforylering. Krediet: Encyclopedia Britannica/UIG/Getty Images

De zuurstof verkregen uit interne ademhaling wordt gebruikt door: cellen in cellulaire ademhaling . Om toegang te krijgen tot de energie die is opgeslagen in het voedsel dat we eten, moeten biologische moleculen waaruit voedsel bestaat ( koolhydraten , eiwitten enz.) moeten worden afgebroken tot vormen die het lichaam kan gebruiken. Dit wordt bereikt door de spijsverteringsproces waar voedsel wordt afgebroken en voedingsstoffen in het bloed worden opgenomen. Terwijl het bloed door het lichaam circuleert, worden voedingsstoffen naar de lichaamscellen getransporteerd. Bij cellulaire ademhaling wordt glucose verkregen uit de spijsvertering gesplitst in zijn samenstellende delen voor de productie van energie. Via een reeks stappen worden glucose en zuurstof omgezet in koolstofdioxide (CO_twee), water (H_tweeO), en het hoogenergetische molecuul adenosinetrifosfaat (ATP). Kooldioxide en water gevormd tijdens het proces diffunderen in de interstitiële vloeistof die de cellen omringt. Vanaf daar, CO_tweediffundeert in het bloedplasma en rode bloedcellen . ATP dat tijdens het proces wordt gegenereerd, levert de energie die nodig is om normale cellulaire functies uit te voeren, zoals de synthese van macromoleculen, spiercontractie, cilia en flagella beweging, en celverdeling .

Aërobe ademhaling

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

Dit is een diagram van aërobe cellulaire ademhaling inclusief glycolyse, Krebs-cyclus (citroenzuurcyclus) en de elektronentransportketen. RegisFrey/Wikimedia Commons/ CC BY-SA 3.0

Aerobe cellulaire ademhaling bestaat uit drie fasen: glycolyse , citroenzuur cyclus (Krebs-cyclus), en elektronentransport met oxidatieve fosforylering.

Glycolysekomt voor in de cytoplasma en omvat de oxidatie of splitsing van glucose in pyruvaat. Twee moleculen ATP en twee moleculen van de hoge energie NADH worden ook geproduceerd in glycolyse. In aanwezigheid van zuurstof komt pyruvaat de binnenste celmatrix binnen mitochondriën en ondergaat verdere oxidatie in de Krebs-cyclus. Citroenzuurcyclus: In deze cyclus worden naast CO . nog twee ATP-moleculen geproduceerd_twee, extra protonen en elektronen, en de hoogenergetische moleculen NADH en FADH_twee. Elektronen die in de Krebs-cyclus worden gegenereerd, bewegen over de plooien in het binnenmembraan (cristae) die de mitochondriale matrix (binnenste compartiment) scheiden van de intermembraanruimte (buitenste compartiment). Dit creëert een elektrische gradiënt, die de elektronentransportketen helpt waterstofprotonen uit de matrix en in de intermembraanruimte te pompen.
• De elektronentransportketen is een reeks elektronendragereiwitcomplexen in het mitochondriale binnenmembraan. NADH en FADH_tweegegenereerd in de Krebs-cyclus brengen hun energie over in de elektronentransportketen om protonen en elektronen naar de intermembraanruimte te transporteren. De hoge concentratie waterstofprotonen in de intermembraanruimte wordt gebruikt door het eiwitcomplex ATP-synthase om protonen terug in de matrix te transporteren. Dit levert de energie voor de fosforylering van ADP tot ATP. Elektronentransport en oxidatieve fosforylering zijn verantwoordelijk voor de vorming van 34 ATP-moleculen.

In totaal worden 38 ATP-moleculen geproduceerd door prokaryoten bij de oxidatie van een enkel glucosemolecuul. Dit aantal wordt teruggebracht tot 36 ATP-moleculen in eukaryoten, aangezien twee ATP worden verbruikt bij de overdracht van NADH naar mitochondriën.

Fermentatie

Alcoholische en lactaatfermentatieprocessen. Vtvu/Wikimedia Commons/CC BY-SA

Aërobe ademhaling vindt alleen plaats in aanwezigheid van zuurstof. Wanneer de zuurstoftoevoer laag is, kan er slechts een kleine hoeveelheid ATP in de cel worden gegenereerd cytoplasma door glycolyse. Hoewel pyruvaat niet in de Krebs-cyclus of elektronentransportketen kan komen zonder zuurstof, kan het toch worden gebruikt om extra ATP te genereren door fermentatie. Fermentatie is een ander type cellulaire ademhaling, een chemisch proces voor de afbraak van koolhydraten in kleinere verbindingen voor de productie van ATP. In vergelijking met aerobe ademhaling wordt bij fermentatie slechts een kleine hoeveelheid ATP geproduceerd. Dit komt omdat glucose slechts gedeeltelijk wordt afgebroken. Sommige organismen zijn facultatief anaëroben en kunnen zowel fermentatie gebruiken (wanneer zuurstof laag of niet beschikbaar is) als aerobe ademhaling (wanneer zuurstof beschikbaar is). Twee veel voorkomende soorten fermentatie zijn melkzuurfermentatie en alcoholische (ethanol) fermentatie. Glycolyse is de eerste stap in elk proces.

Melkzuurfermentatie

Bij melkzuurfermentatie worden NADH, pyruvaat en ATP geproduceerd door glycolyse. NADH wordt vervolgens omgezet in zijn lage energievorm NAD⁺, terwijl pyruvaat wordt omgezet in lactaat. NAD⁺wordt teruggevoerd naar glycolyse om meer pyruvaat en ATP te genereren. Melkzuurfermentatie wordt gewoonlijk uitgevoerd door: spier cellen wanneer de zuurstofniveaus uitgeput raken. Lactaat wordt omgezet in melkzuur dat zich tijdens inspanning in hoge concentraties in spiercellen kan ophopen. Melkzuur verhoogt de spierzuurgraad en veroorzaakt een branderig gevoel dat optreedt bij extreme inspanning. Zodra de normale zuurstofniveaus zijn hersteld, kan pyruvaat de aerobe ademhaling binnendringen en kan er veel meer energie worden gegenereerd om te helpen bij het herstel. Verhoogde bloedstroom helpt om zuurstof aan spiercellen te leveren en melkzuur te verwijderen.

Alcoholische gisting

Bij alcoholische gisting wordt pyruvaat omgezet in ethanol en CO_twee. ZIJ⁺wordt ook gegenereerd bij de conversie en wordt teruggevoerd naar glycolyse om meer ATP-moleculen te produceren. Alcoholische gisting wordt uitgevoerd door: planten , gist en sommige soorten bacteriën. Dit proces wordt gebruikt bij de productie van alcoholische dranken, brandstof en gebak.

Anaërobe ademhaling

Bifidobacteriën zijn Gram-positieve anaërobe bacteriën die in het maagdarmkanaal leven. KATERYNA KON/Science Photo Library/Getty Images

Hoe doen extremofielen zoals sommige bacteriën en archeeërs overleven in omgevingen zonder zuurstof? Het antwoord is door anaërobe ademhaling. Dit type ademhaling vindt plaats zonder zuurstof en omvat het verbruik van een ander molecuul (nitraat, zwavel, ijzer, koolstofdioxide, enz.) In plaats van zuurstof. Anders dan bij fermentatie, omvat anaërobe ademhaling de vorming van een elektrochemische gradiënt door een elektronentransportsysteem dat resulteert in de productie van een aantal ATP-moleculen. Anders dan bij aërobe ademhaling, is de uiteindelijke elektronenontvanger een ander molecuul dan zuurstof. Veel anaërobe organismen zijn obligate anaëroben; ze voeren geen oxidatieve fosforylering uit en sterven in aanwezigheid van zuurstof. Anderen zijn facultatief anaëroben en kunnen ook aërobe ademhaling uitvoeren wanneer zuurstof beschikbaar is.

bronnen

• ' Hoe de longen werken .' National Heart Lung and Blood Institute , U.S. Department of Health and Human Services,.
• Lodisch, Harvey. ' Elektronentransport en oxidatieve fosforylering .' Huidige rapporten over neurologie en neurowetenschappen , U.S. National Library of Medicine, 1 januari 1970, .
• Oren, Aharon. ' Anaërobe ademhaling .' Het Canadian Journal of Chemical Engineering , Wiley-Blackwell, 15 september 2009.