Клеточное дыхание у человека

определение

Клеточное дыхание, также называемое аэробным (от древнегреческого «аэр» - воздух), описывает расщепление у человека питательных веществ, таких как глюкоза или жирные кислоты, с использованием кислорода (O2) для выработки энергии, необходимой для выживания клеток. При этом питательные вещества окисляются, то есть испускают электроны, в то время как кислород восстанавливается, что означает, что он принимает электроны. Конечные продукты, которые возникают из кислорода и питательных веществ, - это углекислый газ (CO2) и вода (H2O).

Функции и задачи клеточного дыхания

Все процессы в организме человека требуют энергии. Упражнения, работа мозга, сердцебиение, образование слюны или волос и даже пищеварение - все это требует энергии для функционирования.

Кроме того, организму для выживания нужен кислород. Особое значение здесь имеет клеточное дыхание. С помощью этого и газообразного кислорода организм может сжигать богатые энергией вещества и получать от них необходимую энергию. Сам по себе кислород не дает нам энергии, но он необходим для осуществления процессов химического горения в организме и, следовательно, необходим для нашего выживания.

Организм знает много разных видов энергоносителей:

• Глюкоза (сахар) является основным энергоносителем и основным строительным блоком, а также конечным продуктом, выделяемым из всех крахмалистых продуктов.
• Жирные кислоты и глицерин являются конечными продуктами распада жиров и также могут использоваться в производстве энергии.
• Последняя группа энергоносителей - это аминокислоты, которые остаются в результате распада белка. После определенной трансформации в организме они могут также использоваться для клеточного дыхания и, таким образом, для выработки энергии.

Подробнее об этом читайте в Упражнения и сжигание жира

Самый распространенный источник энергии, используемый человеческим организмом, - это глюкоза. Существует цепочка реакций, которые в конечном итоге приводят к продуктам CO2 и H2O с потреблением кислорода. Этот процесс включает Гликолиз, Итак Расщепление глюкозы и передача продукта, Пируват через промежуточный шаг Ацетил-КоА в Цикл лимонной кислоты (Синоним: цикл лимонной кислоты или цикл Кребса). В этот цикл также входят продукты распада других питательных веществ, таких как аминокислоты или жирные кислоты. Процесс, в котором жирные кислоты «расщепляются», чтобы они также могли попасть в цикл лимонной кислоты, называется Бета-окисление.

Таким образом, цикл лимонной кислоты является своего рода точкой входа, где все источники энергии могут быть включены в энергетический метаболизм. Цикл происходит в Митохондрии вместо этого «энергетические установки» человеческих клеток.

Во всех этих процессах расходуется некоторая энергия в виде АТФ, но она уже получена, как, например, при гликолизе. Кроме того, существуют преимущественно другие промежуточные накопители энергии (например, NADH, FADH2), которые выполняют свою функцию только в качестве промежуточных накопителей энергии во время выработки энергии. Эти промежуточные запасные молекулы затем переходят на последнюю стадию клеточного дыхания, а именно на стадию окислительного фосфорилирования, также известную как дыхательная цепь. Это шаг, к которому до сих пор работали все процессы. Дыхательная цепь, которая также имеет место в митохондриях, также состоит из нескольких этапов, на которых универсальный энергоноситель АТФ затем получается из богатых энергией промежуточных запасающих молекул. Всего в результате распада одной молекулы глюкозы получается 32 молекулы АТФ.

Для особо заинтересованных

Дыхательная цепь содержит различные белковые комплексы, которые играют здесь очень интересную роль. Они действуют как насосы, которые перекачивают протоны (ионы H +) в полость двойной митохондриальной мембраны, потребляя промежуточные запасные молекулы, так что там наблюдается высокая концентрация протонов. Это вызывает градиент концентрации между межмембранным пространством и митохондриальным матриксом. С помощью этого градиента в конечном итоге получается молекула белка, которая работает аналогично водяной турбине. Под действием этого градиента протонов белок синтезирует молекулу АТФ из АДФ и фосфатной группы.

Вы можете найти более подробную информацию здесь: Что такое дыхательная цепь?

АТФ

В Аденозинтрифосфат (АТФ) является энергоносителем человеческого тела. Вся энергия, возникающая в результате клеточного дыхания, изначально хранится в форме АТФ. Организм может использовать энергию только в том случае, если она находится в форме молекулы АТФ.

Если энергия молекулы АТФ израсходована, аденозиндифосфат (АДФ) создается из АТФ, в результате чего фосфатная группа молекулы отщепляется и выделяется энергия. Дыхание клеток или выработка энергии служит цели непрерывной регенерации АТФ из так называемого АДФ, чтобы организм мог использовать его снова.

Уравнение реакции

Из-за того, что жирные кислоты имеют разную длину и что аминокислоты также имеют очень разные структуры, невозможно составить простое уравнение для этих двух групп, чтобы точно охарактеризовать их выход энергии в клеточном дыхании. Потому что каждое структурное изменение может определять, на какой стадии цитратного цикла течет аминокислота.
Распад жирных кислот в результате так называемого бета-окисления зависит от их длины. Чем длиннее жирные кислоты, тем больше энергии можно получить из них. Это варьируется между насыщенными и ненасыщенными жирными кислотами, причем ненасыщенные жирные кислоты обеспечивают минимально меньше энергии при условии, что они имеют одинаковое количество.

По уже упомянутым причинам лучше всего можно описать уравнение для расщепления глюкозы. Молекула глюкозы (C6H12O6) и 6 молекул кислорода (O2) образуют в общей сложности 6 молекул углекислого газа (CO2) и 6 молекул воды (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 превращается в 6 CO2 + 6 H2O

Что такое гликолиз?

Гликолиз описывает расщепление глюкозы, то есть виноградного сахара. Этот метаболический путь происходит как в клетках человека, так и в других клетках, например, в дрожжах во время ферментации. Место, где клетки производят гликолиз, находится в цитоплазме. Здесь присутствуют ферменты, которые ускоряют реакции гликолиза для прямого синтеза АТФ и обеспечения субстратов для цикла лимонной кислоты. Этот процесс создает энергию в виде двух молекул АТФ и двух молекул НАДН + Н +. Гликолиз вместе с циклом лимонной кислоты и дыхательной цепью, которые расположены в митохондрии, представляют собой путь расщепления простой сахарной глюкозы до универсального энергоносителя АТФ. Гликолиз происходит в цитозоле всех клеток животных и растений. . Конечным продуктом гликолиза является пируват, который затем можно ввести в цикл лимонной кислоты через промежуточную стадию.

В общей сложности 2 АТФ используются на молекулу глюкозы при гликолизе, чтобы иметь возможность проводить реакции. Однако получается 4 АТФ, так что фактически чистый прирост составляет 2 молекулы АТФ.

Гликолиз - десять стадий реакции, пока сахар с 6 атомами углерода не превратится в две молекулы пирувата, каждая из которых состоит из трех атомов углерода. На первых четырех стадиях реакции сахар превращается во фруктозо-1,6-бисфосфат с помощью двух фосфатов и перегруппировки. Этот активированный сахар теперь разделен на две молекулы с тремя атомами углерода в каждой. Дальнейшие перегруппировки и удаление двух фосфатных групп в конечном итоге приводят к двум пируватам. Если кислород (O2) теперь доступен, пируват может далее метаболизироваться до ацетил-КоА и введен в цикл лимонной кислоты. В целом, гликолиз двумя молекулами АТФ и двумя молекулами НАДН + Н + имеет относительно низкий выход энергии. Однако он закладывает основу для дальнейшего расщепления сахара и, следовательно, необходим для производства АТФ в клеточном дыхании.

На этом этапе имеет смысл разделить аэробный и анаэробный гликолиз. Аэробный гликолиз приводит к описанному выше пирувату, который затем можно использовать для выработки энергии.
В отличие от анаэробного гликолиза, который происходит в условиях дефицита кислорода, пируват больше не может использоваться, потому что цикл лимонной кислоты требует кислорода. В контексте гликолиза также создается промежуточная запасающая молекула НАДН, которая сама по себе богата энергией и также будет течь в цикл Кребса в аэробных условиях. Однако родительская молекула НАД + необходима для поддержания гликолиза. Вот почему здесь тело «кусает» «кислое яблоко» и преобразует эту высокоэнергетическую молекулу обратно в исходную форму. Пируват используется для проведения реакции. Так называемый лактат или молочная кислота образуется из пирувата.

Подробнее об этом читайте в

• Лактат
• Анаэробный порог

Что такое дыхательная цепь?

Дыхательная цепь - это последняя часть пути распада глюкозы. После того, как сахар метаболизируется в процессе гликолиза и цикла лимонной кислоты, дыхательная цепь выполняет функцию регенерации образовавшихся восстановительных эквивалентов (НАДН + Н + и ФАДН2). Это создает универсальный энергоноситель АТФ (аденозинтрифосфат). Как и цикл лимонной кислоты, дыхательная цепь расположена в митохондриях, которые поэтому также называют «энергетическими установками клетки». Дыхательная цепь состоит из пяти ферментных комплексов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану. Каждый из первых двух ферментных комплексов регенерирует NADH + H + (или FADH2) в NAD + (или FAD). Во время окисления НАДН + Н + четыре протона переносятся из матричного пространства в межмембранное пространство. Два протона также закачиваются в межмембранное пространство в каждом из следующих трех ферментных комплексов. Это создает градиент концентрации, который используется для производства АТФ. Для этого протоны текут из межмембранного пространства через АТФ-синтазу обратно в матричное пространство. Высвободившаяся энергия используется для окончательного производства АТФ из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата. Другой задачей дыхательной цепи является перехват электронов, образующихся при окислении эквивалентов восстановления. Это достигается путем переноса электронов на кислород. Объединив электроны, протоны и кислород, нормальная вода образуется в четвертом ферментном комплексе (цитохром с оксидазе). Это также объясняет, почему дыхательная цепь может иметь место только при наличии достаточного количества кислорода.

Каковы задачи митохондрий в клеточном дыхании?

Митохондрии - это органеллы, которые встречаются только в эукариотических клетках. Их также называют «энергетическими установками клетки», поскольку именно в них происходит клеточное дыхание. Конечным продуктом клеточного дыхания является АТФ (аденозинтрифосфат). Это универсальный энергоноситель, необходимый всему человеческому организму. Компартментализация митохондрий является предпосылкой клеточного дыхания. Это означает, что в митохондрии есть отдельные реакционные пространства. Это достигается за счет внутренней и внешней мембраны, так что есть межмембранное пространство и внутреннее матричное пространство.

В ходе дыхательной цепи протоны (ионы водорода, H +) переносятся в межмембранное пространство, так что возникает разница в концентрации протонов. Эти протоны происходят из различных восстановительных эквивалентов, таких как NADH + H + и FADH2, которые, таким образом, регенерируются до NAD + и FAD.

АТФ-синтаза - последний фермент в дыхательной цепи, где в конечном итоге вырабатывается АТФ. Из-за разницы в концентрации протоны текут из межмембранного пространства через АТФ-синтазу в матричное пространство. Этот поток положительного заряда высвобождает энергию, которая используется для производства АТФ из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата. Митохондрии особенно подходят для дыхательной цепи, поскольку они имеют два реакционных пространства из-за двойной мембраны. Кроме того, в митохондриях происходят многие метаболические пути (гликолиз, цикл лимонной кислоты), которые обеспечивают исходные материалы (NADH + H +, FADH2) для дыхательной цепи. Эта пространственная близость является еще одним преимуществом и делает митохондрии идеальным местом для клеточного дыхания.

Здесь вы можете узнать все о дыхательной цепи.

Энергетический баланс

Энергетический баланс клеточного дыхания в случае глюкозы можно резюмировать следующим образом с образованием 32 молекул АТФ на глюкозу:

C6H12O6 + 6 O2 превращается в 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Для ясности, АДФ и фосфатный остаток Pi не включены в исходные данные.)

В анаэробных условиях, то есть при недостатке кислорода, цикл лимонной кислоты не может работать, и энергия может быть получена только посредством аэробного гликолиза:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP превращаются в 2 лактата + 2 ATP. + 2 H2O. Таким образом, на молекулу глюкозы приходится только около 6% этой пропорции, как в случае аэробного гликолиза.

Заболевания, связанные с клеточным дыханием

В Клеточное дыхание необходимо для выживания, т.е. что многие мутации в генах, которые кодируют белки клеточного дыхания, например ферменты гликолиза, являются летальными (фатальный) находятся. Однако генетические заболевания клеточного дыхания все же встречаются. Они могут происходить как из ядерной ДНК, так и из митохондриальной ДНК. Сами митохондрии содержат собственный генетический материал, необходимый для клеточного дыхания. Однако эти заболевания имеют схожие симптомы, поскольку все они имеют одну общую черту: они вмешиваются в клеточное дыхание и нарушают его.

При клеточных респираторных заболеваниях часто наблюдаются похожие клинические симптомы. Здесь особенно важно Заболевания тканей, которым нужно много энергии. К ним, в частности, относятся клетки нервов, мышц, сердца, почек и печени. Такие симптомы, как мышечная слабость или признаки поражения мозга, часто возникают даже в молодом возрасте, если не во время рождения. Также говорит на ярко выраженном Лактоацидоз (Чрезмерное закисление организма лактатом, который накапливается из-за того, что пируват не может быть в достаточной степени расщеплен в цикле лимонной кислоты). Внутренние органы тоже могут работать со сбоями.

Диагностикой и терапией заболеваний клеточного дыхания должны заниматься специалисты, так как клиническая картина может оказаться очень разнообразной и разной. На сегодняшний день это все еще нет причинно-следственной и лечебной терапии дает. Заболевания можно лечить только симптоматически.

Поскольку митохондриальная ДНК передается от матери к детям очень сложным образом, женщинам, страдающим заболеванием клеточного дыхания, следует обращаться к специалисту, если они хотят иметь детей, поскольку только они могут оценить вероятность наследования.