Клітинне дихання у людини

визначення

Клітинне дихання, яке ще називають аеробним (від давньогрецького «аер» - повітря), описує розпад таких поживних речовин, як глюкоза або жирні кислоти у людини, використовуючи кисень (O2) для отримання енергії, необхідної для виживання клітин. Поживні речовини окислюються, тобто вони виділяють електрони, оскільки кисень знижується, а це означає, що він приймає електрони. Кінцевими продуктами, які виникають з кисню та поживних речовин, є вуглекислий газ (СО2) та вода (Н2О).

Функція та завдання клітинного дихання

Всі процеси в організмі людини потребують енергії. Вправи, функціонування мозку, серцебиття, слина чи волосся, а також травлення - все це потребує енергії, щоб функціонувати.

Крім того, організму потрібен кисень, щоб вижити. Тут має особливе значення клітинне дихання. За допомогою цього і газового кисню організм може спалювати багаті енергією речовини і отримувати з них необхідну енергію. Сам кисень не забезпечує нам енергії, але він необхідний для здійснення хімічних процесів горіння в організмі і тому є важливим для нашого виживання.

Організм знає багато різних видів носіїв енергії:

• Глюкоза (цукор) є основним джерелом енергії та основним складовим елементом, а також кінцевим продуктом, розщепленим від усіх крохмалистих продуктів
• Жирні кислоти та гліцерин є кінцевими продуктами розщеплення жирів, а також можуть бути використані у виробництві енергії
• Остання група джерел енергії - це амінокислоти, які залишаються як продукт розпаду білка. Після певної трансформації в організмі вони також можуть бути використані для клітинного дихання і, таким чином, для отримання енергії

Детальніше про це читайте нижче Вправи і спалювання жиру

Найпоширенішим джерелом енергії, що використовується організмом людини, є глюкоза. Існує ланцюг реакцій, які в кінцевому підсумку призводять до продуктів CO2 і H2O зі споживанням кисню. Цей процес включає в себе Гліколіз, так що Розщеплення глюкози і передачу товару, Піруват через проміжну сходинку Ацетил-КоА в Цикл лимонної кислоти (Синонім: цикл лимонної кислоти або цикл Кребса). Продукти розпаду інших поживних речовин, таких як амінокислоти або жирні кислоти, також потрапляють у цей цикл. Називається процес, при якому жирні кислоти "розщеплюються", щоб вони також могли надходити в цикл лимонної кислоти Бета-окислення.

Тому цикл лимонної кислоти є своєрідною точкою входу, куди всі енергетичні носії можуть надходити в енергетичний обмін. Цикл відбувається в Мітохондрії натомість "енергетичні електростанції" людських клітин.

Під час усіх цих процесів деяка енергія споживається у вигляді АТФ, але вона вже отримується, як це відбувається, наприклад, при гліколізі. Крім того, існують переважно інші проміжні запаси енергії (наприклад, NADH, FADH2), які виконують свою функцію як проміжні запаси енергії під час генерації енергії. Ці проміжні молекули зберігання потім впадають на останню стадію клітинного дихання, а саме на стадію окисного фосфорилювання, відому також як дихальний ланцюг. Це крок, до якого працювали всі процеси досі. Дихальна ланцюг, яка також відбувається в мітохондріях, також складається з декількох етапів, на яких багаті енергією проміжні молекули накопичення потім використовуються для вилучення універсального енергоносія АТФ. Загалом, розпад однієї молекули глюкози призводить до загальної кількості 32 молекул АТФ.

Для тих, хто особливо зацікавлений

Дихальна ланцюг містить різні білкові комплекси, які тут грають дуже цікаву роль. Вони функціонують як насоси, які закачують протони (іони Н +) у порожнину подвійної мембрани мітохондрій, споживаючи проміжні молекули зберігання, так що там висока концентрація протонів. Це викликає градієнт концентрації між міжмембранним простором та мітохондріальною матрицею. За допомогою цього градієнта, в кінцевому рахунку, існує білкова молекула, яка працює аналогічно типу водного турбіну. Керований цим градієнтом у протонах, білок синтезує молекулу АТФ з АДФ та фосфатної групи.

Ви можете знайти більше інформації тут: Що таке дихальний ланцюг?

АТФ

The Аденозинтрифосфат (АТФ) є енергетичним носієм людського організму. Вся енергія, яка виникає при клітинному диханні, спочатку зберігається у вигляді АТФ. Тіло може використовувати енергію лише в тому випадку, якщо вона знаходиться у формі молекули АТФ.

Якщо енергія молекули АТФ витрачається, з АТФ створюється аденозиндифосфат (АДФ), завдяки чому фосфатна група молекули розщеплюється і енергія виділяється. Клітинне дихання або вироблення енергії служить метою постійної регенерації АТФ з так званого АДФ, щоб організм міг його знову використовувати.

Рівняння реакції

Через те, що жирні кислоти мають різну довжину і амінокислоти також мають дуже різну структуру, неможливо створити просте рівняння для цих двох груп, щоб точно характеризувати їх енергетичний вихід при клітинному диханні. Тому що кожна структурна зміна може визначити, на якій стадії циклу цитратів протікає амінокислота.
Розпад жирних кислот при так званому бета-окисленні залежить від їх тривалості. Чим довше жирних кислот, тим більше енергії можна отримати від них. Це варіюється між насиченими та ненасиченими жирними кислотами, причому ненасичені отримують мінімум менше енергії, за умови, що вони мають однакову кількість.

З вищезгаданих причин рівняння найкраще можна описати для розпаду глюкози. Це створює 6 молекул діоксиду вуглецю (CO2) та 6 молекул води (H2O) з молекули глюкози (C6H12O6) та 6 молекул кисню (O2):

• C6H12O6 + 6 O2 стають 6 CO2 + 6 H2O

Що таке гліколіз?

Гліколіз описує розпад глюкози, тобто виноградного цукру. Цей метаболічний шлях відбувається як в клітинах людини, так і в інших, наприклад. у випадку дріжджів під час бродіння. Місце, де клітини проводять гліколіз, знаходиться в цитоплазмі. Тут є ферменти, які прискорюють реакції гліколізу, щоб одночасно синтезувати АТФ і забезпечувати субстрати для циклу лимонної кислоти. Цей процес створює енергію у вигляді двох молекул АТФ і двох молекул НАДН + Н +. Гліколіз разом із циклом лимонної кислоти та дихальним ланцюгом, обидва вони розташовані в мітохондріоні, являють собою розпад простої глюкози цукру на універсальний носій енергії АТФ.Гліколіз відбувається в цитозолі всіх клітин тварин та рослин.Кінцевим продуктом гліколізу є піруват, який потім може бути введений у цикл лимонної кислоти через проміжний етап.

Загалом для гліколізу використовують 2 АТФ на одну молекулу глюкози, щоб можна було провести реакції. Однак 4 АТФ одержують таким чином, що ефективно отримують чистий приріст 2 молекул АТФ.

Гліколіз за десять етапів реакції, поки цукор з 6 атомами вуглецю не перетвориться на дві молекули пірувату, кожна з яких складається з трьох атомів вуглецю. На перших чотирьох етапах реакції цукор перетворюється на фруктозу-1,6-бісфосфат за допомогою двох фосфатів та перестановки. Цей активований цукор зараз розщеплений на дві молекули з трьома атомами вуглецю. Подальші перебудови та видалення двох фосфатних груп в кінцевому рахунку призводять до двох піруватів. Якщо кисень (O2) тепер доступний, піруват може бути додатково метаболізований в ацетил-КоА та введений у цикл лимонної кислоти. Загалом, гліколіз з 2 молекулами АТФ та двома молекулами НАДН + Н + має відносно низький вихід енергії. Однак він закладає основу для подальшого розщеплення цукру і тому є необхідним для виробництва АТФ при клітинній диханні.

У цей момент має сенс розділити аеробний та анаеробний гліколіз. Аеробний гліколіз призводить до описаного вище пірувату, який потім може бути використаний для отримання енергії.
З іншого боку, анаеробний гліколіз, який відбувається в умовах дефіциту кисню, піруват вже не можна використовувати, оскільки цикл лимонної кислоти потребує кисню. У контексті гліколізу створюється також проміжна накопичувальна молекула NADH, яка є власною енергією, яка також потрапляє в цикл Кребса в аеробних умовах. Однак материнська молекула NAD + необхідна для підтримки гліколізу. Ось чому організм «кусає» «кисле яблуко» тут і перетворює цю високоенергетичну молекулу назад у її первісну форму. Піруват використовується для проведення реакції. З пірувату утворюється так звана лактатна або молочна кислота.

Детальніше про це читайте нижче

• Лактат
• Анаеробний поріг

Що таке дихальний ланцюг?

Дихальний ланцюг є останньою частиною шляху розпаду глюкози. Після метаболізації цукру в процесі гліколізу та циклу лимонної кислоти дихальна ланцюг має функцію регенерації відновлювальних еквівалентів (NADH + H + і FADH2). Це створює універсальний енергоносій АТФ (аденозинтрифосфат). Як і цикл лимонної кислоти, дихальна ланцюг розташована в мітохондріях, які також називають "силовими установками клітини". Дихальна ланцюг складається з п’яти ферментних комплексів, які вбудовані у внутрішню мітохондріальну мембрану. Перші два ферментні комплекси регенерують NADH + H + (або FADH2) до NAD + (або FAD). Під час окислення NADH + H + чотири протони транспортуються з матричного простору в міжмембранний простір. Два протони також закачують у міжмембранний простір для наступних трьох ферментних комплексів. Це створює градієнт концентрації, який використовується для отримання АТФ. Для цього протони стікають з міжмембранного простору через синтазу АТФ назад у матричний простір. Виділена енергія використовується для остаточного отримання АТФ з АДФ (аденозиндифосфату) та фосфату. Іншим завданням дихальної ланцюга є перехоплення електронів, що утворюються при окисленні відновлювальних еквівалентів. Це робиться шляхом перенесення електронів на кисень. Об'єднуючи електрони, протони та кисень, нормальна вода створюється в четвертому ферментному комплексі (цитохром c оксидаза). Це також пояснює, чому дихальний ланцюг може мати місце лише тоді, коли достатньо кисню.

Які завдання виконують мітохондрії при клітинному диханні?

Мітохондрії - органели, які є лише в еукаріотичних клітинах. Їх також називають "енергетичними установками клітини", оскільки саме в них відбувається клітинне дихання. Кінцевим продуктом клітинного дихання є АТФ (аденозинтрифосфат). Це універсальний носій енергії, який необхідний всьому людському організму. Відсіки мітохондрій є необхідною умовою клітинного дихання. Це означає, що в мітохондріоні є окремі простори реакцій. Це досягається внутрішньою та зовнішньою мембраною, щоб існував міжмембранний простір та внутрішній матричний простір.

По ходу дихального ланцюга протони (іони водню, Н +) транспортуються в міжмембранний простір, так що виникає різниця в концентрації протонів. Ці протони походять від різних еквівалентів відновлення, таких як NADH + H + і FADH2, які тим самим регенеруються до NAD + та FAD.

АТФ-синтаза - останній фермент у дихальній ланцюзі, де в кінцевому підсумку виробляється АТФ. Керований різницею концентрацій, протони перетікають з міжмембранного простору через синтазу АТФ у матричний простір. Цей потік позитивного заряду вивільняє енергію, яка використовується для отримання АТФ з АДФ (аденозиндифосфату) та фосфату. Мітохондрії особливо підходять для респіраторного ланцюга, оскільки вони мають дві реакційні простори завдяки подвійній мембрані. Крім того, в мітохондріоні відбувається багато метаболічних шляхів (гліколіз, цикл лимонної кислоти), які забезпечують вихідні речовини (NADH + H +, FADH2) для дихального ланцюга. Ця просторова близькість є ще однією перевагою і робить мітохондрії ідеальним місцем для клітинного дихання.

Тут ви можете дізнатися все про тему дихального ланцюга

Енергетичний баланс

Енергетичний баланс клітинного дихання у разі глюкози можна підсумувати так, з утворенням 32 молекул АТФ на глюкозу:

C6H12O6 + 6 O2 стає 6 CO2 + 6 H2O + 32 АТФ

(Для наочності АДФ і фосфатний залишок Pi були випущені у вихователів)

В анаеробних умовах, тобто нестачі кисню, цикл лимонної кислоти не може працювати і енергію можна отримати лише аеробним гліколізом:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP стає 2 лактатом + 2 АТФ. + 2 Н2О. Отже, лише приблизно 6% пропорції отримують на молекулу глюкози, як це було б у випадку аеробного гліколізу.

Хвороби, пов'язані з клітинним диханням

The Клітинне дихання має важливе значення для виживаннятобто що багато мутацій у генах, що відповідають за білки клітинного дихання, наприклад Ферменти гліколізу, кодування, летальні (смертельний) є. Однак генетичні захворювання клітинного дихання все ж зустрічаються. Вони можуть походити з ядерної ДНК або з мітохондріальної ДНК. Самі мітохондрії містять власний генетичний матеріал, необхідний для дихання клітин. Однак ці захворювання проявляють подібні симптоми, оскільки всі вони мають одне спільне: вони втручаються в клітинне дихання і порушують його.

Клітинні захворювання органів дихання часто проявляють подібні клінічні симптоми. Тут це особливо важливо Розлади тканин, яким потрібно багато енергії. До них, зокрема, належать клітини нерва, м’язів, серця, нирок і печінки. Такі симптоми, як м’язова слабкість або ознаки ураження мозку, часто виникають навіть у молодому віці, якщо не під час народження. Також вимовляє яскраво виражений Лактоацидоз (Надмірне підкислення організму лактатом, який накопичується через те, що піруват не може бути достатньо розбитий у циклі лимонної кислоти). Внутрішні органи також можуть працювати неправильно.

Діагностику та терапію захворювань клітинного дихання повинні проводити фахівці, оскільки клінічна картина може бути дуже різноманітною та різною. На сьогоднішній день це все ще є немає причинно-наслідкової та лікувальної терапії дає. Захворювання можна лікувати лише симптоматично.

Оскільки ДНК мітохондрій передається від матері дітям дуже складним способом, жінки, які страждають на захворювання клітинного дихання, повинні звернутися до фахівця, якщо хочуть мати дітей, оскільки лише вони можуть оцінити ймовірність успадкування.