Какви са структурните аспекти на дишането. Обяснете локализацията на процеса в клетката
Анаеробното дишане се извършва в цитоплазмата. Аеробното е много по-сложно от анаеробното и изисква сложни мултиензимни системи, както и свързани системи за пренасяне на електрони. Без твърда пространствена организация тези системи не биха могли да изпълнят своята роля. Следователно аеробният процес протича в специални органели - митохондрии. Митохондриите са силовите центрове на клетката. Броят им в клетката не е постоянен и зависи от възрастта и енергийните нужди на клетката. Всяка митохондрия има двойна мембрана, разстоянието между външната и вътрешната мембрана = 6 - 10 nm. Вътрешната мембрана съдържа полутвърда матрица от митохондрии и образува множество гънки - кристи. Те значително увеличават площта на мембраната и съответно междумембранния обем, осигурявайки място за мултиензимни системи и улеснявайки достъпа до ензимите, разположени в митохондриалния матрикс. Цялата дебелина на вътрешната митохондриална мембрана е изпълнена с компоненти на дихателната верига. Те са разположени един спрямо друг по строго подреден начин. Митохондриалната матрица съдържа повечето от ензимите, участващи в цикъла на Кребс и окисляването на мастни киселини. Тук също се намират митохондриална ДНК, РНК и рибозоми, които извършват синтеза на самите ензими, участващи в процесите на аеробно дишане.
Митохондриите са описани за първи път през 1850 г. от Kölliker, който ги открива в мускулите на насекомите. Името "митохондрии" се появява през 1898 г. През 50-те години на миналия век беше показано, че митохондриалните мембрани съдържат ензими на дихателната верига, цикъла на Кребс и окислителното фосфорилиране. Митохондриитенамира се в почти всички еукариотни клетки. Изключение правят някои паразитни протозои (например Trichomonas). Броят на митохондриите в клетките варира от една (в някои водорасли и протозои, като трипанозоми) до 500-1000 в соматични клетки на бозайници.
Формата на митохондриите може да бъде различна. Например дрождите и някои други гъби могат да имат една гигантска разклонена митохондрия; в нервните клетки на мозъка митохондриите са нишковидни; в набраздените мускули малък брой силно разклонени митохондрии образуват така наречената митохондриална мрежа. Формата на митохондриите също може да се промени по време на онтогенезата. Броят на митохондриите също не е постоянен. Може да се увеличи с активиране на дишането. Митохондриите могат да растат на дължина, да се свиват, да се разклоняват, да се делят – всичко това за по-малко от една минута.
По правило митохондриите се намират в клетката или в области, където се изразходва енергия, или близо до натрупвания на резервни хранителни вещества (например капчици мазнини).
Общият план на структурата на митохондриите е еднакъв при всички еукариоти.
Митохондриите са заобиколени от две мембрани с междумембранно пространство между тях. Вътрешната мембрана образува израстъци в митохондриалния матрикс (кристи). Матрицата съдържа ДНК, рибозоми и различни включвания. Рибозомите могат да се прикрепят към вътрешната мембрана. Структурата на митохондриите зависи от функционалната активност на тъканта и организма. В този случай не само формата и броят на кристалите може да се промени, но и броят на самите митохондрии. Например, по време на хиподинамия (липса на движение) при плъхове броят на кристите в митохондриите и броят на самите митохондрии в набраздените мускули рязко намалява. Ако тези животни са принудени да активнодвижение, митохондриите бързо се връщат в първоначалната си форма и първоначалният им брой се възстановява.
Външната и вътрешната мембрана на митохондриите се различават значително една от друга. Вътрешната мембрана може лесно да променя формата си (броя и размера на кристалите). Външният може само да се разтяга необратимо, докато се счупи. Вътрешната мембрана е почти непропусклива за йони. Външната има неспецифична пропускливост. Външната мембрана е бедна на ензими. Но на вътрешната мембрана и в матрицата има всички ензими, които осигуряват дишането. Вътрешната мембрана е селективно пропусклива. Тази ситуация се обяснява с факта, че именно с вътрешната мембрана е свързано изпълнението на основната функция на митохондриите - кислородният етап на даване, т.е. снабдяването на клетката с енергия.
Друга страна на дейността на митохондриите е участието им в синтеза на стероидни хормони (в надбъбречната кора) и отделни липиди.
Калциевите йони могат да се натрупват в митохондриите. В животинските ооцити митохондриите могат да натрупват жълтък, но в същото време губят основната си функция - участие в процесите на дишане. Митохондриите на черния дроб и бъбреците са способни да натрупват отрови и вредни вещества, като по този начин ги изолират от цитоплазмата.
Продължителността на живота на митохондриите е кратка (например в клетките на черния дроб на плъх е само 20 дни). Митохондриите се образуват в резултат на разделяне на вече съществуващи. Това се обяснява с факта, че митохондриите имат собствена генетична система - митохондриална ДНК и собствен протеин-синтезиращ апарат. Митохондриите обикновено съдържат няколко молекули от кръгова ДНК, наподобяващи прокариотна хромозома. В същото време е доказано, че повечето от митохондриалните протеини са кодирани от ядрена ДНК.
По този начин митохондриите могат да се разглеждат катополуавтономни органели, произхождащи от симбиотични прокариотни организми, вероятно лилави бактерии.
24. Опишете механизмите и основните видове газообмен при животните. Дайте примери.
Трябва да има непрекъснат обмен на газове между организма и околната среда. Аеробите се нуждаят от кислород, идващ от външната среда, за да окислят хранителните вещества и да получат енергия, а аеробите и повечето анаероби отделят въглероден диоксид (въглероден диоксид CO2) в околната среда - крайният продукт на дишането. Обменът на CO2 и O2 между околната среда и тялото се нарича газообмен, а повърхността, върху която всъщност се извършва този обмен, е дихателната повърхност. Газообменът се осъществява във всички организми чрез дифузия. За да се осъществи дифузия, дихателната повърхност трябва да отговаря на няколко условия:
- трябва да е пропусклива, за да могат газовете да преминават през нея;
- образуващият го слой трябва да е тънък, тъй като дифузията е ефективна на разстояния не повече от 1 см;
- трябва да е мокър, тъй като и двата газа - O2 и CO2 - дифундират в разтвора;
- дихателната система трябва да е голяма, за да може през нея да се обменят достатъчни количества газове в съответствие с нуждите на организма.
Организмите получават необходимия им кислород директно от атмосферата или от водата, в която е разтворен. Съдържанието на O2 във водата и въздуха не е еднакво. Въздухът на единица обем съдържа много пъти повече O2 от същия обем вода. От това следва, че обемът вода, който водните организми, като рибите, са принудени да преминат през дихателната повърхност, за да задоволят своите метаболитни нужди, е много по-голям от обема въздух, достатъчен за сухоземните гръбначни.
При протозоите обменът на газ се извършва през цялата външна клетъчна мембрана. Газообменът на кишечните ентерати също се осъществява през клетъчната мембрана на всички клетки в контакт с околната среда. В тялото на плоските и пръстеновидните, O2 навлиза през цялата повърхност на тялото чрез дифузия; паразитните форми на плоските червеи са анаероби. Газообменът на насекомите се осъществява с помощта на система от тръби - трахеи, благодарение на което О2 отива директно в тъканите и не е необходимо да се транспортира с кръв. Рибите (хрущялни и костни) дишат с помощта на хриле, измити от водата на околната среда. Земноводните комбинират няколко вида газообмен: кожно, орално и белодробно дишане. Влечугите дишат само с бели дробове. Птиците дишат с бели дробове, но тяхната структура е много по-сложна от тази на влечугите, има специални въздушни торбички. При бозайниците белите дробове нямат въздушни торбички, но структурата им е много сложна.
Газообмен – обмен на тялото с околната среда O2 и CO2. Газообмен на организмово ниво - дишане. Организмите получават O2 от атмосферата или водата.
Дишането е процес на приемане на O2 в тялото и отделяне на CO2.
Протозои.Amoeba proteus има тяло по-малко от 1 mm, така че съотношението повърхност/обем е много високо. При нея се извършва дифузия на газове през цялата външна клетъчна мембрана и това е напълно достатъчно за нейните метаболитни нужди.
Коелентерати. В двуслойните многоклетъчни Hydra и Obelia всички клетки са в контакт с водната среда и във всяка от тези клетки обменът на газ през клетъчната мембрана в контакт с околната среда е достатъчен, за да задоволи нейните нужди.
Плоски червеи. При свободно живеещите плоски червеи като Planaria кислородът навлиза в тялото чрез дифузия през цялата повърхност на тялото. Това се предпочита от силно сплесканитеформа на тялото, увеличаване на съотношението повърхност/обем и факта, че планарията живее в добре аерирани водни тела. Много плоски червеи, като Taenia, са вътрешни паразити, които живеят в условия, където има много малко кислород; те се държат като анаероби.
Пръстеновидни червеи. Те нямат системи, предназначени специално за обмен на газ, а обменът на газ се осъществява чрез дифузия през цялата повърхност на тялото. Анелидите консумират малко кислород на единица телесна маса поради ниската си активност.
Членестоноги. Газообменът се осъществява чрез система от тръби - трахея. Такъв газообмен създава условия за висока скорост на метаболизма.Дихала - сдвоени отвори на втория и третия гръден и на първите осем коремни сегмента на тялото на насекомото водят към въздушните кухини. От тези кухини се простират разклонени тръби, наречени трахеи. Всяка трахея е облицована с плосък епител, секретиращ тънък слой хитинов материал. Във всеки сегмент на тялото трахеите се разклоняват на множество по-малки, разклонени тръби, нареченитрахеоли. В покой трахеолите са пълни с водниста течност; по това време O2 дифундира през тях към тъканите (и CO2 в обратната посока). Общият поток от въздух, преминаващ през тялото на насекомото, се регулира от механизъм, който затваря спиралите. Отворът на всяка спирала е оборудван със система от клапи, контролирани от много малки мускули.
Риба. Обменът на газ се извършва през хрилете. Бедната на кислород кръв от коремната аорта навлиза във всяко хриле през аферентната бранхиална артерия. В областта на хрилната плоча тази артерия се разклонява многократно на множество малки капиляри. Това е мястото, където се извършва обмен на газ. След това капилярите се рекомбинират в еферентните бранхиални артерии, които излизат от хрилете при неяоснования.
Земноводни. При жаба обменът на газ може да се осъществи през кожата (кожно дишане), през епитела, покриващ устата (орално дишане) и през белите дробове (белодробно дишане).
Влечуги. Кожното дишане отсъства, тъй като тялото на влечугите е облечено в рогова покривка. Обменът на газ се извършва само в белите дробове. Вентилацията на белите дробове възниква поради движението на ребрата, причинено от свиването на междуребрените мускули.
Птици. Белите дробове на птиците са малки; това са компактни органи, състоящи се от множество разклонени въздушни тръби, нареченибронхи. Най-малките от тях,парабронхи, пронизани с множество кръвоносни съдове; Това е мястото, където се извършва обмен на газ. Големи тънкостеннивъздушни торби комуникират с белите дробове. В тях има малко кръвоносни съдове и те не участват в газообмена. Според функционалното си предназначение въздушните мехурчета се разделят на две групи: предни и задни, през които съответно въздухът влиза и излиза от дихателната система. Вентилационните движения при птиците са сложни, те осигуряват еднопосочен поток на въздуха - от задните торбички през белите дробове в предните торбички и след това навън. В покой дихателните движения при птиците се извършват по същия начин, както при бозайниците: междуребрените мускули, свиващи се, вдишват, а коремните мускули издишват.
Бозайници. Дихателната система на бозайниците се състои от сдвоени бели дробове, разположени в гръдната кухина, и множество въздушни тръби, свързващи ги с атмосферния въздух. Въздушният път включва следните отдели: носни проходи, фаринкс, ларинкс, трахея, бронхи, бронхиоли, белодробни алвеоли. Въздухът влиза в тялото през две външни ноздри, всяка от които има граница от косми, които улавят чужди частици. Носните проходи са покрити с ресничест епител, който съдържабокаловидни клетки, които отделят слуз. Освен това въздухът, преди да влезе в ларинкса, трябва да премине през фаринкса. Глотисът (подобен на прорез отвор, водещ към ларинкса) е защитен от епиглотиса. Ларинксът е кухина пред трахеята, образувана от девет хрущяла. В ларинкса има два реда еластични връзки, наречени гласни струни. От ларинкса въздухът навлиза в трахеята, тръба, която лежи точно пред хранопровода и завършва в гръдната кухина. Вътрешността на трахеята е облицована с псевдостратифициран ресничест колонен епител. Този епител съдържа гоблетни клетки, секретиращи слуз. Праховите частици и микробите, попаднали в трахеята, се забиват в слузта. В долния край трахеята се разделя на два бронха. И в двата бели дроба всеки бронх многократно се разделя на още по-тънки тръбички - бронхиоли. Най-малките тръби, наречени респираторни бронхиоли, са разделени на множество алвеоларни проходи и завършват с алвеоли. Кислородът, разтворен в слоя влага на повърхността на алвеоларния епител, дифундира през тънка бариера, състояща се от този епител и капилярен ендотел, и първо навлиза в кръвната плазма. След това се свързва с хемоглобина в червените кръвни клетки, който в резултат се превръща в оксихемоглобин. Въглеродният диоксид дифундира в обратна посока - от кръвта в кухината на алвеолите.