Oddychanie komórkowe u ludzi

definicja

Oddychanie komórkowe, zwane także aerobikiem (od starożytnej greki „aer” - powietrze), opisuje rozkład substancji odżywczych, takich jak glukoza lub kwasy tłuszczowe, u ludzi przy użyciu tlenu (O2) do wytwarzania energii, która jest niezbędna do przetrwania komórek. W tym czasie składniki odżywcze ulegają utlenieniu, tj. Wydzielają elektrony, a tlen ulega redukcji, czyli przyjmuje elektrony. Produkty końcowe powstające z tlenu i składników odżywczych to dwutlenek węgla (CO2) i woda (H2O).

Funkcja i zadania oddychania komórkowego

Wszystkie procesy zachodzące w organizmie człowieka wymagają energii. Ćwiczenia, funkcje mózgu, bicie serca, wydzielanie śliny lub włosów, a nawet trawienie wymagają energii do funkcjonowania.

Ponadto organizm potrzebuje tlenu, aby przetrwać. Szczególne znaczenie ma tu oddychanie komórkowe. Przy pomocy tego i gazowego tlenu organizm może spalać substancje bogate w energię i pozyskiwać z nich potrzebną energię. Sam tlen nie dostarcza nam energii, ale jest potrzebny do przeprowadzenia procesów spalania chemicznego w organizmie i dlatego jest niezbędny do naszego przetrwania.

Organizm zna wiele różnych rodzajów nośników energii:

• Glukoza (cukier) jest głównym nośnikiem energii i podstawowym budulcem, a także produktem końcowym wydzielanym ze wszystkich produktów bogatych w skrobię
• Kwasy tłuszczowe i gliceryna są końcowymi produktami rozkładu tłuszczów i mogą być również wykorzystywane do produkcji energii
• Ostatnią grupą nośników energii są aminokwasy, które pozostają jako produkt rozpadu białek. Po pewnej przemianie w organizmie można je następnie wykorzystać do oddychania komórkowego, a tym samym do wytwarzania energii

Przeczytaj więcej na ten temat w sekcji Ćwiczenia i spalanie tłuszczu

Najczęstszym źródłem energii wykorzystywanym przez organizm ludzki jest glukoza. Istnieje łańcuch reakcji, które ostatecznie prowadzą do produktów CO2 i H2O wraz ze zużyciem tlenu. Ten proces obejmuje Glikoliza, więc Podział glukozy i przeniesienie produktu, plik Pirogronian poprzez pośredni krok Acetylo-CoA w Cykl kwasu cytrynowego (Synonim: cykl kwasu cytrynowego lub cykl Krebsa). Do tego cyklu wpływają również produkty rozkładu innych składników odżywczych, takich jak aminokwasy lub kwasy tłuszczowe. Nazywa się proces, w którym kwasy tłuszczowe są „rozkładane”, dzięki czemu mogą również wpływać do cyklu kwasu cytrynowego Utlenianie beta.

Cykl kwasu cytrynowego jest zatem rodzajem punktu wlotowego, w którym wszystkie źródła energii mogą zostać wprowadzone do metabolizmu energetycznego. Cykl odbywa się w Mitochondria zamiast tego „elektrownie energetyczne” ludzkich komórek.

Podczas wszystkich tych procesów część energii jest zużywana w postaci ATP, ale została ona już pozyskana, jak ma to miejsce np. W glikolizie. Ponadto istnieją przeważnie inne pośrednie magazyny energii (np. NADH, FADH2), które spełniają swoją funkcję jedynie jako pośrednich magazynów energii podczas wytwarzania energii. Te pośrednie cząsteczki magazynujące wpływają następnie do ostatniego etapu oddychania komórkowego, a mianowicie etapu fosforylacji oksydacyjnej, znanej również jako łańcuch oddechowy. To jest krok, w kierunku którego zmierzały wszystkie dotychczasowe procesy. Łańcuch oddechowy, który zachodzi również w mitochondriach, również składa się z kilku etapów, w których następnie z bogatych w energię cząsteczek pośrednich magazynujących uzyskuje się uniwersalny nośnik energii ATP. W sumie rozpad jednej cząsteczki glukozy daje w sumie 32 cząsteczki ATP.

Dla szczególnie zainteresowanych

Łańcuch oddechowy zawiera różne kompleksy białek, które odgrywają tutaj bardzo interesującą rolę. Działają jak pompy, które pompują protony (jony H +) do wnęki mitochondrialnej podwójnej błony, zużywając jednocześnie pośrednie cząsteczki magazynujące, dzięki czemu występuje tam wysokie stężenie protonów. Powoduje to gradient stężenia między przestrzenią międzybłonową a macierzą mitochondrialną. Przy pomocy tego gradientu ostatecznie pojawia się cząsteczka białka, która działa podobnie do rodzaju turbiny wodnej. Kierując się tym gradientem protonów, białko syntetyzuje cząsteczkę ATP z ADP i grupy fosforanowej.

Więcej informacji znajdziesz tutaj: Co to jest łańcuch oddechowy?

ATP

Plik Adenozynotrifosforan (ATP) jest nośnikiem energii ludzkiego ciała. Cała energia, która powstaje podczas oddychania komórkowego, jest początkowo magazynowana w postaci ATP. Organizm może wykorzystywać energię tylko wtedy, gdy ma ona postać cząsteczki ATP.

Jeśli energia cząsteczki ATP zostaje zużyta, z ATP powstaje difosforan adenozyny (ADP), w wyniku czego grupa fosforanowa cząsteczki jest odszczepiana i uwalniana jest energia. Oddychanie komórek lub wytwarzanie energii służy ciągłej regeneracji ATP z tak zwanego ADP, aby organizm mógł go ponownie wykorzystać.

Równanie reakcji

Ze względu na fakt, że kwasy tłuszczowe mają różną długość, a aminokwasy mają również bardzo różne struktury, nie jest możliwe ustalenie prostego równania dla tych dwóch grup, aby dokładnie scharakteryzować ich wydajność energetyczną podczas oddychania komórkowego. Ponieważ każda zmiana strukturalna może określić, w którym etapie cyklu cytrynianowego przepływa aminokwas.
Rozkład kwasów tłuszczowych w tzw. Beta-oksydacji zależy od ich długości. Im dłuższe kwasy tłuszczowe, tym więcej energii można z nich uzyskać. Różni się to między nasyconymi i nienasyconymi kwasami tłuszczowymi, przy czym nienasycone kwasy tłuszczowe dostarczają minimalnie mniej energii, pod warunkiem, że mają taką samą ilość.

Z powodów już wymienionych, najlepiej można opisać równanie rozkładu glukozy. Cząsteczka glukozy (C6H12O6) i 6 cząsteczek tlenu (O2) daje w sumie 6 cząsteczek dwutlenku węgla (CO2) i 6 cząsteczek wody (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 staje się 6 CO2 + 6 H2O

Co to jest glikoliza?

Glikoliza to rozkład glukozy, czyli cukru gronowego. Ten szlak metaboliczny zachodzi w komórkach ludzkich, jak również w innych, np. Drożdżach podczas fermentacji. Miejsce, w którym komórki przeprowadzają glikolizę, znajduje się w cytoplazmie. Tutaj obecne są enzymy, które przyspieszają reakcje glikolizy, aby zarówno bezpośrednio syntetyzować ATP, jak i zapewnić substraty dla cyklu kwasu cytrynowego. Ten proces tworzy energię w postaci dwóch cząsteczek ATP i dwóch cząsteczek NADH + H +. Glikoliza, wraz z cyklem kwasu cytrynowego i łańcuchem oddechowym, z których oba są zlokalizowane w mitochondrium, reprezentuje szlak rozkładu prostego cukru glukozy do uniwersalnego nośnika energii ATP. Glikoliza zachodzi w cytozolu wszystkich komórek zwierzęcych i roślinnych . Końcowym produktem glikolizy jest pirogronian, który można następnie wprowadzić do cyklu kwasu cytrynowego w etapie pośrednim.

W sumie 2 ATP są używane na cząsteczkę glukozy w glikolizie, aby móc przeprowadzić reakcje. Jednak uzyskuje się 4 ATP, tak że efektywnie uzyskuje się zysk netto o 2 cząsteczki ATP.

Glikoliza dziesięć etapów reakcji, aż cukier o 6 atomach węgla zamieni się w dwie cząsteczki pirogronianu, z których każda składa się z trzech atomów węgla. W pierwszych czterech etapach reakcji cukier przekształca się we fruktozo-1,6-bisfosforan za pomocą dwóch fosforanów i przegrupowania. Ten aktywowany cukier jest teraz podzielony na dwie cząsteczki, z których każda zawiera trzy atomy węgla. Dalsze przegrupowania i usunięcie dwóch grup fosforanowych ostatecznie prowadzi do dwóch pirogronianów. Jeśli tlen (O2) jest teraz dostępny, pirogronian może być dalej metabolizowany do acetylo-CoA i wprowadzany do cyklu kwasu cytrynowego. Ogólnie rzecz biorąc, glikoliza z dwiema cząsteczkami ATP i dwiema cząsteczkami NADH + H + ma stosunkowo niską wydajność energetyczną. Jednak stanowi podstawę dla dalszego rozkładu cukru i dlatego jest niezbędny do produkcji ATP w oddychaniu komórkowym.

W tym miejscu sensowne jest oddzielenie glikolizy tlenowej i beztlenowej. Glikoliza tlenowa prowadzi do pirogronianu opisanego powyżej, który można następnie wykorzystać do wytwarzania energii.
W przeciwieństwie do beztlenowej glikolizy, która zachodzi w warunkach niedoboru tlenu, pirogronianu nie można już stosować, ponieważ cykl kwasu cytrynowego wymaga tlenu. W kontekście glikolizy powstaje również pośrednia cząsteczka magazynująca NADH, która sama jest bogata w energię i również wpłynęłaby do cyklu Krebsa w warunkach tlenowych. Jednak macierzysta cząsteczka NAD + jest niezbędna do utrzymania glikolizy. Dlatego organizm „gryzie” „kwaśne jabłko” i przekształca tę wysokoenergetyczną cząsteczkę z powrotem w jej pierwotną formę. Do przeprowadzenia reakcji stosuje się pirogronian. Z pirogronianu powstaje tak zwany mleczan lub kwas mlekowy.

Przeczytaj więcej na ten temat w sekcji

• Mleczan
• Próg beztlenowy

Co to jest łańcuch oddechowy?

Łańcuch oddechowy to ostatnia część ścieżki rozkładu glukozy. Po metabolizowaniu cukru w ​​procesie glikolizy i cyklu kwasu cytrynowego, łańcuch oddechowy pełni funkcję regeneracji utworzonych równoważników redukcji (NADH + H + i FADH2). W ten sposób powstaje uniwersalny nośnik energii ATP (trifosforan adenozyny). Podobnie jak cykl kwasu cytrynowego, łańcuch oddechowy zlokalizowany jest w mitochondriach, które w związku z tym nazywane są również „elektrowniami komórkowymi”. Łańcuch oddechowy składa się z pięciu kompleksów enzymatycznych osadzonych w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Każdy z pierwszych dwóch kompleksów enzymatycznych regeneruje NADH + H + (lub FADH2) do NAD + (lub FAD). Podczas utleniania NADH + H + cztery protony są transportowane z przestrzeni macierzy do przestrzeni międzybłonowej. Dwa protony są również pompowane do przestrzeni międzybłonowej w każdym z trzech następujących kompleksów enzymatycznych. Tworzy to gradient stężeń, który jest używany do produkcji ATP. W tym celu protony przepływają z przestrzeni międzybłonowej przez syntazę ATP z powrotem do przestrzeni macierzowej. Uwolniona energia jest wykorzystywana do ostatecznego wytworzenia ATP z ADP (difosforanu adenozyny) i fosforanu. Innym zadaniem łańcucha oddechowego jest przechwytywanie elektronów generowanych przez utlenianie równoważników redukcji. Odbywa się to poprzez przeniesienie elektronów do tlenu. Łącząc elektrony, protony i tlen, w czwartym kompleksie enzymatycznym (oksydaza cytochromu c) powstaje normalna woda. To wyjaśnia również, dlaczego łańcuch oddechowy może mieć miejsce tylko wtedy, gdy jest wystarczająca ilość tlenu.

Jakie są zadania mitochondriów w oddychaniu komórkowym?

Mitochondria to organelle, które można znaleźć tylko w komórkach eukariotycznych. Nazywa się je również „elektrowniami komórki”, ponieważ to w nich zachodzi oddychanie komórkowe. Końcowym produktem oddychania komórkowego jest ATP (trifosforan adenozyny). To uniwersalny nośnik energii niezbędny w całym ludzkim organizmie. Podział mitochondriów na przedziały jest warunkiem wstępnym oddychania komórkowego. Oznacza to, że w mitochondrium istnieją oddzielne przestrzenie reakcyjne. Osiąga się to dzięki wewnętrznej i zewnętrznej membranie, tak że istnieje przestrzeń międzybłonowa i wewnętrzna przestrzeń matrycy.

W trakcie łańcucha oddechowego protony (jony wodoru, H +) są transportowane do przestrzeni międzybłonowej, w wyniku czego powstaje różnica w stężeniu protonów. Te protony pochodzą z różnych równoważników redukcji, takich jak NADH + H + i FADH2, które są w ten sposób regenerowane do NAD + i FAD.

Syntaza ATP jest ostatnim enzymem w łańcuchu oddechowym, w którym ostatecznie wytwarzany jest ATP. Napędzane różnicą stężeń protony przepływają z przestrzeni międzybłonowej przez syntazę ATP do przestrzeni macierzowej. Ten przepływ dodatniego ładunku uwalnia energię, która jest wykorzystywana do produkcji ATP z ADP (difosforanu adenozyny) i fosforanu. Mitochondria są szczególnie odpowiednie dla łańcucha oddechowego, ponieważ dzięki podwójnej membranie mają dwie przestrzenie reakcyjne. Ponadto w mitochondrium zachodzi wiele szlaków metabolicznych (glikoliza, cykl kwasu cytrynowego), które dostarczają materiałów wyjściowych (NADH + H +, FADH2) dla łańcucha oddechowego. Ta bliskość przestrzenna jest kolejną zaletą i sprawia, że ​​mitochondria są idealnym miejscem do oddychania komórkowego.

Tutaj możesz dowiedzieć się wszystkiego na temat łańcucha oddechowego

Balans energetyczny

Bilans energetyczny oddychania komórkowego w przypadku glukozy można podsumować w następujący sposób, z utworzeniem 32 cząsteczek ATP na glukozę:

C6H12O6 + 6 O2 staje się 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Dla jasności w eduktach pominięto ADP i resztę fosforanową Pi)

W warunkach beztlenowych, tj. Przy braku tlenu, cykl kwasu cytrynowego nie może przebiegać, a energię można uzyskać jedynie poprzez tlenową glikolizę:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP staje się 2 mleczanem + 2 ATP. + 2 H2O. Zatem tylko około 6% tej proporcji jest uzyskiwane na cząsteczkę glukozy, jak miałoby to miejsce w przypadku glikolizy tlenowej.

Choroby związane z oddychaniem komórkowym

Plik Oddychanie komórkowe jest niezbędne do przeżyciatj. że wiele mutacji w genach kodujących białka oddychania komórkowego, np. enzymy glikolizy, jest śmiertelnych (fatalny) są. Jednak zdarzają się genetyczne choroby oddychania komórkowego. Mogą one pochodzić z DNA jądrowego, jak również z DNA mitochondrialnego. Same mitochondria zawierają własny materiał genetyczny, który jest niezbędny do oddychania komórek. Jednak te choroby mają podobne objawy, ponieważ wszystkie mają jedną wspólną cechę: interweniują w oddychanie komórkowe i zakłócają je.

Komórkowe choroby układu oddechowego często wykazują podobne objawy kliniczne. Jest to szczególnie ważne tutaj Zaburzenia tkanek, które potrzebują dużo energii. Dotyczy to w szczególności komórek nerwowych, mięśni, serca, nerek i wątroby. Objawy, takie jak osłabienie mięśni lub oznaki uszkodzenia mózgu, często pojawiają się nawet w młodym wieku, jeśli nie w momencie urodzenia. Mówi również wymawiane Kwasica mleczanowa (Nadmierne zakwaszenie organizmu mleczanem, które gromadzi się, ponieważ pirogronian nie może być dostatecznie rozłożony w cyklu kwasu cytrynowego). Narządy wewnętrzne mogą również działać nieprawidłowo.

Diagnozę i terapię chorób układu oddechowego komórkowego powinni podjąć specjaliści, ponieważ obraz kliniczny może okazać się bardzo zróżnicowany i odmienny. Na dzień dzisiejszy jest nadal brak terapii przyczynowej i leczniczej daje. Choroby można leczyć tylko objawowo.

Ponieważ mitochondrialne DNA jest przekazywane z matki na dzieci w bardzo skomplikowany sposób, kobiety cierpiące na chorobę oddychania komórkowego powinny zgłosić się do specjalisty, jeśli chcą mieć dzieci, ponieważ tylko one mogą oszacować prawdopodobieństwo dziedziczenia.