Клетъчно дишане при хора

дефиниция

Клетъчното дишане, наричано още аеробно (от древногръцки "аер" - въздух), описва разграждането на хранителни вещества като глюкоза или мастни киселини при хората, използващи кислород (O2) за генериране на енергия, която е необходима за оцеляването на клетките. Хранителните вещества се окисляват, т.е. те отделят електрони, тъй като кислородът се намалява, което означава, че той приема електрони. Крайните продукти, които възникват от кислорода и хранителните вещества, са въглероден диоксид (CO2) и вода (H2O).

Функция и задачи на клетъчното дишане

Всички процеси в човешкото тяло изискват енергия. Упражненията, мозъчната функция, биенето на сърцето, слюнката или приготвянето на коса и дори храносмилането изискват енергия, за да функционират.

Освен това тялото се нуждае от кислород, за да оцелее. Клетъчното дишане е от особено значение тук. С помощта на този и газовия кислород е възможно тялото да изгаря богати на енергия вещества и да получава необходимата енергия от тях. Самият кислород не ни осигурява никаква енергия, но той е необходим за осъществяване на химическите процеси на изгаряне в тялото и следователно е от съществено значение за нашето оцеляване.

Тялото познава много различни видове носители на енергия:

• Глюкозата (захарта) е основният енергиен източник и основен градивен елемент, както и разделеният краен продукт от всички нишестени храни
• Мастните киселини и глицеринът са крайните продукти на разграждането на мазнините и могат да се използват и при производството на енергия
• Последната група източници на енергия са аминокиселините, които са останали като продукт на разграждането на протеини. След определена трансформация в тялото, те могат да се използват и при клетъчно дишане и по този начин за генериране на енергия

Прочетете повече за това по-долу Упражнения и изгаряне на мазнини

Най-често срещаният енергиен източник, използван от човешкото тяло, е глюкозата. Има верига от реакции, които в крайна сметка водят до продуктите CO2 и H2O с консумацията на кислород. Този процес включва гликолиза, така че Разделяне на глюкоза и прехвърлянето на продукта, пируват чрез междинната стъпка на Ацетил-СоА в Цикъл на лимонена киселина (Синоним: цикъл на лимонена киселина или цикъл на Кребс). Продуктите на разпадане на други хранителни вещества като аминокиселини или мастни киселини също се вливат в този цикъл. Нарича се процесът, при който мастните киселини се „разграждат“, за да могат те също да влязат в цикъла на лимонената киселина Бета окисляване.

Цикълът на лимонената киселина е следователно един вид входяща точка, където всички енергийни носители могат да бъдат подавани в енергийния метаболизъм. Цикълът се осъществява в Митохондриите вместо това, „енергийните централи“ на човешките клетки.

По време на всички тези процеси се изразходва известна енергия под формата на АТФ, но тя вече се получава, както е например при гликолизата. Освен това съществуват предимно други междинни енергийни запаси (например NADH, FADH2), които изпълняват функцията си като междинни запаси на енергия по време на производство на енергия. Тези междинни молекули за съхранение след това се вливат в последния етап на клетъчното дишане, а именно етап на окислително фосфорилиране, известен още като дихателна верига. Това е стъпката, към която всички процеси са работили досега. Дихателната верига, която също се провежда в митохондриите, също се състои от няколко етапа, в които богатите на енергия междинни акумулаторни молекули след това се използват за извличане на универсалния енергиен носител АТФ. Общо разграждането на една глюкозна молекула води до общо 32 ATP молекули.

За тези, които се интересуват особено

Дихателната верига съдържа различни протеинови комплекси, които играят много интересна роля тук. Те функционират като помпи, които изпомпват протони (Н + йони) в кухината на митохондриалната двойна мембрана, докато консумират междинните молекули за съхранение, така че там да има висока концентрация на протони. Това причинява концентрационен градиент между интермембранното пространство и митохондриалната матрица. С помощта на този градиент в крайна сметка има протеинова молекула, която работи по подобен начин на тип водна турбина. Задвижван от този градиент в протоните, протеинът синтезира молекула ATP от ADP и фосфатна група.

Можете да намерите повече информация тук: Каква е дихателната верига?

ATP

Най- Аденозин трифосфат (ATP) е енергийният носител на човешкото тяло. Цялата енергия, която възниква от клетъчното дишане, първоначално се съхранява под формата на АТФ. Тялото може да използва енергията само ако е под формата на ATP молекулата.

Ако енергията на молекулата АТФ се изразходва, от АТФ се създава аденозин дифосфат (ADP), при което фосфатна група на молекулата се разделя и се освобождава енергия. Клетъчното дишане или генерирането на енергия служи на целта за непрекъснато регенериране на АТФ от така наречения АДФ, така че тялото да може да го използва отново.

Уравнение на реакцията

Поради факта, че мастните киселини са с различна дължина и че аминокиселините също имат много различни структури, не е възможно да се създаде просто уравнение за тези две групи, за да се определи точно техният добив на енергия при клетъчно дишане. Тъй като всяка структурна промяна може да определи в кой етап от цитратния цикъл тече аминокиселината.
Разграждането на мастните киселини при така нареченото бета окисляване зависи от тяхната дължина. Колкото по-дълго са мастните киселини, толкова повече енергия може да се спечели от тях. Това варира между наситени и ненаситени мастни киселини, като ненаситените осигуряват минимално по-малко енергия, при условие че имат същото количество.

По вече посочените причини може да се опише най-добре уравнение за разграждането на глюкозата. Това създава общо 6 молекули въглероден диоксид (CO2) и 6 водни молекули (H2O) от молекула глюкоза (C6H12O6) и 6 молекули кислород (O2):

• C6H12O6 + 6 O2 стават 6 CO2 + 6 H2O

Какво е гликолиза?

Гликолизата описва разграждането на глюкозата, т.е. гроздовата захар. Този метаболитен път се осъществява в човешките клетки, както и в други, напр. в случай на мая по време на ферментацията. Мястото, където клетките извършват гликолиза, е в цитоплазмата. Тук има ензими, които ускоряват реакциите на гликолиза, за да синтезират директно АТФ и да осигурят субстратите за цикъла на лимонената киселина. Този процес създава енергия под формата на две молекули АТФ и две молекули на NADH + H +. Гликолизата, заедно с цикъла на лимонената киселина и дихателната верига, и двете от които са разположени в митохондриона, представляват пътя на разпадане на простата захарна глюкоза до универсалния енергиен носител ATP.Гликолизата се осъществява в цитозола на всички животински и растителни клетки.Крайният продукт на гликолизата е пируват, който след това може да бъде въведен в цикъла на лимонената киселина чрез междинен етап.

Общо се използват 2 ATP на молекула глюкоза при гликолиза, за да могат да проведат реакциите. Въпреки това, 4 АТФ се получават, така че да има ефективно печалба от 2 молекули АТФ.

Гликолиза десет реакционни стъпки, докато захар с 6 въглеродни атома се превърне в две молекули пируват, всяка от които се състои от три въглеродни атома. В първите четири етапа на реакция захарта се превръща във фруктоза-1,6-бисфосфат с помощта на два фосфата и пренареждане. Тази активирана захар сега се разделя на две молекули с по три въглеродни атома всяка. По-нататъшното пренареждане и отстраняването на двете фосфатни групи в крайна сметка водят до два пирувата. Ако сега е наличен кислород (O2), пируватът може да бъде метаболизиран допълнително в ацетил-КоА и въведен в цикъла на лимонената киселина. Като цяло, гликолизата с 2 молекули АТФ и две молекули от NADH + H + има сравнително нисък енергиен добив. Той обаче поставя основата за по-нататъшното разграждане на захарта и следователно е от съществено значение за производството на АТФ при клетъчното дишане.

В този момент има смисъл да се разделят аеробна и анаеробна гликолиза. Аеробната гликолиза води до описания по-горе пируват, който след това може да се използва за генериране на енергия.
От друга страна, анаеробната гликолиза, която се провежда в условия на недостиг на кислород, пируватът вече не може да се използва, тъй като цикълът на лимонената киселина изисква кислород. В контекста на гликолизата се създава и междинната молекула за съхранение NADH, която е богата на енергия сама по себе си и също би попадала в цикъла на Кребс при аеробни условия. Въпреки това, родителската молекула NAD + е необходима за поддържане на гликолиза. Ето защо тялото "хапва" "киселата ябълка" тук и превръща тази високоенергийна молекула обратно в първоначалната си форма. Пируватът се използва за провеждане на реакцията. От пирувата се образува така наречената лактатна или млечна киселина.

Прочетете повече за това по-долу

• лактат
• Анаеробен праг

Каква е дихателната верига?

Дихателната верига е последната част от пътя на разпадане на глюкозата. След метаболизирането на захарта в цикъла на гликолиза и лимонена киселина, дихателната верига има функцията да регенерира редукционните еквиваленти (NADH + H + и FADH2), които се създават. Това създава универсалния енергиен носител ATP (аденозин трифосфат). Подобно на цикъла на лимонената киселина, дихателната верига е разположена в митохондриите, които също се наричат ​​"силови централи на клетката". Дихателната верига се състои от пет ензимни комплекса, които са вградени във вътрешната митохондриална мембрана. Първите два ензимни комплекса регенерират NADH + H + (или FADH2) до NAD + (или FAD). По време на окисляването на NADH + H +, четири протона се транспортират от матричното пространство в междумембранното пространство. Два протона също се изпомпват в междумембранното пространство за следните три ензимни комплекса. Това създава концентрационен градиент, който се използва за производство на АТФ. За тази цел протоните се вливат от интермембранното пространство през АТФ синтаза обратно в матричното пространство. Освободената енергия се използва за окончателно производство на АТФ от ADP (аденозин дифосфат) и фосфат. Друга задача на дихателната верига е да прехваща електроните, генерирани от окисляването на редукционните еквиваленти. Това става чрез прехвърляне на електроните на кислород. Чрез обединяване на електрони, протони и кислород, нормалната вода се създава в четвъртия ензимен комплекс (цитохром с оксидаза). Това обяснява и защо дихателната верига може да се осъществи само когато има достатъчно кислород.

Какви задачи имат митохондриите при клетъчното дишане?

Митохондриите са органели, които се намират само в еукариотните клетки. Те са също така наричани "електроцентралите на клетката", тъй като именно в тях се осъществява клетъчното дишане. Крайният продукт на клетъчното дишане е ATP (аденозин трифосфат). Това е универсален носител на енергия, който се изисква в целия човешки организъм. Отсеците на митохондриите са предпоставка за клетъчното дишане. Това означава, че в митохондриона има отделни реакционни пространства. Това се постига чрез вътрешна и външна мембрана, така че да има интермембранно пространство и вътрешно матрично пространство.

В хода на дихателната верига протоните (водородни йони, Н +) се транспортират в междумембранното пространство, така че възниква разлика в концентрацията на протони. Тези протони произлизат от различни редукционни еквиваленти, като NADH + H + и FADH2, които по този начин се регенерират до NAD + и FAD.

АТФ синтазата е последният ензим в дихателната верига, където в крайна сметка се произвежда АТФ. Водени от разликата в концентрацията, протоните се вливат от интермембранното пространство през АТФ синтазата в матричното пространство. Този поток от положителен заряд освобождава енергия, която се използва за производството на АТФ от ADP (аденозин дифосфат) и фосфат. Митохондриите са особено подходящи за дихателната верига, тъй като имат две реакционни пространства поради двойната мембрана. В допълнение, много метаболитни пътища (гликолиза, цикъл на лимонена киселина), които осигуряват изходните материали (NADH + H +, FADH2) за дихателната верига, се провеждат в митохондриона. Тази пространствена близост е друго предимство и прави митохондриите идеалното място за клетъчно дишане.

Тук можете да разберете всичко по темата за дихателната верига

Енергиен баланс

Енергийният баланс на клетъчното дишане в случай на глюкоза може да се обобщи по следния начин с образуването на 32 ATP молекули на глюкоза:

C6H12O6 + 6 O2 стават 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(За по-голяма яснота, ADP и фосфатният остатък Pi бяха пропуснати от образователите)

При анаеробни условия, т.е. липса на кислород, цикълът на лимонената киселина не може да тече и енергия може да бъде получена само чрез аеробна гликолиза:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP става 2 лактат + 2 АТФ. + 2 Н2О. Така само около 6% от пропорцията се получава на глюкозна молекула, както би било при аеробната гликолиза.

Болести, свързани с клетъчното дишане

Най- Клетъчното дишане е от съществено значение за оцеляванетот.е. че много мутации в гените, отговорни за протеините на клетъчното дишане, напр. Ензими на гликолиза, кодиране, смъртоносни (фатален) са. Въпреки това се появяват генетични заболявания на клетъчното дишане. Те могат да произхождат от ядрена ДНК или от митохондриална ДНК. Самите митохондрии съдържат свой генетичен материал, който е необходим за клетъчното дишане. Тези заболявания обаче показват сходни симптоми, тъй като всички те имат едно общо нещо: те се намесват в клетъчното дишане и го нарушават.

Клетъчните респираторни заболявания често показват подобни клинични симптоми. Тук е особено важно Нарушения на тъканите, които се нуждаят от много енергия, Те включват клетките на нервите, мускулите, сърцето, бъбреците и черния дроб. Симптоми като мускулна слабост или признаци на мозъчно увреждане често се появяват дори в млада възраст, ако не по време на раждането. Също така говори ясно Млечна ацидоза (Прекомерно подкиселяване на тялото с лактат, което се натрупва, тъй като пируватът не може да бъде разграден достатъчно в цикъла на лимонената киселина). Вътрешните органи също могат да функционират неправилно.

Диагностиката и терапията на заболявания на клетъчното дишане трябва да се извършват от специалисти, тъй като клиничната картина може да бъде много разнообразна и различна. Към днешна дата все още е така няма причинно-следствена и лечебна терапия дава. Заболяванията могат да се лекуват само симптоматично.

Тъй като митохондриалната ДНК се предава от майка на деца по много сложен начин, жените, които страдат от заболяване на клетъчното дишане, трябва да се консултират със специалист, ако искат да имат деца, тъй като само те могат да преценят вероятността от наследяване.