Суть та типи дихання

Клітини отримують енергію для своєї активності у результаті реакцій біологічного окиснення, або тканинного дихання.

Як відомо, процес окиснення - це відщеплення електронів, а віддновлення - їхнє приєднання. Речовини, які мають високу спорідненість до електронів (наприклад, О₂), легко їх приймає (акцептори електронів), окиснюють інші речовини, а самі відновлюються. Речовини з низькою спорідненістю до електронів (наприклад, Н₂), легко їх віддають (донори електронів), відклюють інші речовини, а самі окиснюються. Перехід електронів від їхнього донора до акцептора, є екзергонічним процесом, ікий протікає, виділяючи енергію. Перенесення електронів у протилежному напрямку - ендергонічний процес.

Окиснення - це процес приєднання кисню або відщеплення водню, а відновлення - приєднання водню або відщеплення кисню.

Біологічне окиснення - це каталізоване мультиферментними комплексами перенесення електронів від донорів (відновник) до акцепторів (окисник). В аеробних організмів кінцевим акцептором електронів служить молекулярний кисень. Так, в процесі окиснення глюкози електрони переносяться від її молекули до кисню через проміжні реакції.

Окиснюються всі поживні речовини - вуглеводи, амінокислоти, жирні кислоти. З виділенням енергії одночасно утворююгься проміжні продукти. Більшість поживних речовин окиснюється до СО₂ і Н₂О, причому простежується високий вихід енергії.

У більшості організмів використання О₂ і відщеплення СО₂ є спряженими процесами. Початкові етапи тканинного дихання, які пов'язані з утворенням СО₂, не потребують участі кисню Отже, СО₂ утворюється не шляхом окиснення вуглецю, а в рсзультаті декарбоксилювання органічних кислот (відщеплений від них СО₂ за участю декарбоксилаз).

Біологічне окиснення спряжене з біосинтезом АТФ, який здійснюється у мітохондріях за рахунок енергії окиснення молекул органічних речовин. Основним джерелом енергії для синтезу АТФ при диханні є окиснення киснем водню, який вивільнюється у процесі гліколізу і циклу Кребса. У кожному оберті циклу Кребса специфічні дегідрогенази відщеплюють від ізоцитрату, альфа-кетоглутарату, сукцинату і манату чотири пари атомії водню. Ці атоми віддають електрони у ланцюг транспортуванні електронів (дихальний ланцюг) і перетворюються у протони, які надходять у водне середовище. Електрони переходять від одного переносника до іншого, досягають цитохромоксидази, які передає їх на кисень. Одночасно з середовища поглинаються дві протони, в результаті чого утворюється вода.

Особливість біологічного окиснення полягає у тому, що воно протікає при температурі тіла, за наявності води і через численні проміжні стадії. Важливу роль у ньому відіграють піридин і флавінзалежні дегідрогенази, які каталізують відщепленні водню. Первинними акцепторами водню служать НАД або НАДФ, а також ФМН і ФАД. Хоча молекулярний кисень бере участь тільки на останній стадії біологічного окиснення, попередні етапи відщеплення водню також називають окисненням.

Термін "дихання" у біології має декілька значень. Спочатку ним позначали зовнішнє дихання, тобто вдихання і видиханні повітря (наприклад, "штучне дихання"). Пізніше його викорис товують і для позначення газообміну між клітинами і середовищем. Коли було з'ясовано реакції аеробного окиснення, до них почали застосовувати термін "дихання".

Отже, немає єдиного визначання дихання. Біохіміки називають диханням аеробну стадію катаболізму, або аеробний окиснювальний процес за участю кисню. У фізіології термін дихання використовується у ширшому розумінні. Ним позначають ті процеси, під час яких клітини споживають із середовища кисень, віддають вуглекислий газ і переводять хімічну енергію поживних речовин у доступну для використання форму макроергічного зв'язку.

Дихання необхідно розглядати як невід'ємну ознаку живого, хоча дихальна функція сформувалася не одночасно з виникненням життя. Атмосфера Землі була спочатку безкисневою, і первинні організми дістають енергію анаеробним шляхом. І сьогодні деякі мікроорганізми отримують енергію цим шляхом, всі рослини і тварини мають ферменти анаеробного обміну, але переважну частину енергії отримують під час дихання.

Водні організми використовують ті невеликі кількості О₂, який розчинений у воді, наземні тварини і людина дихають киснем, який у достатній кількості міститься у повітрі.

Одноклітинні організми та клітини дрібних водних тварин (наприклад, гідри) отримують з водного середовища кисень і виводять СО₂ шляхом дифузії. Таке дихання називають прямим.

З виникненням більш складних організмів прямий газообмін між його клітинами і середовищем стає неможливим. У «в'язку з цим сформувались спеціалізовані органи дихання (зябра і легені), які мають велику дихальну поверхню. Орган дихання повинен мати тонку стінку, щоб не заважати дифузії; бути швждн зволоженим, щоб гази могли розчинятись; має добре постачатися кров'ю.

У ракоподібних і риб для непрямого дихання сформувавсь зябра (правда, дводишним рибам властиве і легеневе дихання). У амфібій рептилій, птахів і ссавців органом повітряноп дихання служать легені (у амфібій відіграє важливу роль у ди ханні і шкіра). Дощовий черв'як використовує для дихання шкіру. Органами дихання комах є трахеї-трубочки, які пронизуюп їхнє тіло. Системою дихальних трубочок О₂ повітря доходить до органів і тканин, а СО₂ виводиться з організму.

У непрямому диханні розрізняють дві фази: зовнішню, внутрішню. Зовнішня фаза це обмін газами між середовищ і кров'ю, внутрішня між кров'ю і клітинами.

Найважливішим механізмом газообміну є дифузія, та пасивне транспортування, для якого не потрібна енергія метаболізму. Проте дифузія є повільним процесом і може забезпечувати транспортування кисню на малу відстань (менше 1 мм). тільки організми, менші 1 мм, можуть обходитись без додат вих систем транспорту газів і здійснювати пряме дихання. У батоклітинних організмів великих розмірів у разі непрямого хання процес дифузії доповнюється конвекційним транспорті О₂ і СО₂ у газовій суміші або розчині. Саме шляхом конвек молекули газів переносяться через дихальні шляхи у альвеа легень і кров'ю до капілярів тканин.

У вищих тварин і людини дихання відбувається завдяки ким послідовним процесам:

1) обмін газів між середовищем і легенями (легенева вентиляція);

2) обмін газів між альвеолами легень і кров'ю малого кола кровообігу (дифузія газів у легенях);

3) транспортування газів кров'ю;

4) обмін газів між кровю великого кола кровообігу і клітинами тканин (дифузія газів тканинах);

5) біологічне окиснення у мітохондріях клітин (клітинне дихання). Випадання будь-якого з цих процесів призводить до порушення дихання і створює загрозу для життя. Перші чотири процеси вивчає фізіологія, а останній - біохімія.