Клітинне дихання у людини

визначення

Клітинне дихання, яке також називають аеробним (від давньогрецького "aer" - повітря), описує розщеплення таких поживних речовин, як глюкоза або жирні кислоти, у людини за допомогою кисню (O2) для отримання енергії, необхідної для виживання клітин. У процесі поживні речовини окислюються, тобто вони віддають електрони, тоді як кисень відновлюється, а це означає, що він приймає електрони. Кінцевими продуктами, що утворюються з кисню та поживних речовин, є вуглекислий газ (CO2) та вода (H2O).

Функція та завдання клітинного дихання

Всі процеси в організмі людини вимагають енергії. Фізичні вправи, робота мозку, серцебиття, биття слини або волосся і навіть травлення вимагають енергії для функціонування.

Крім того, тілу для виживання потрібен кисень. Клітинне дихання тут має особливе значення. За допомогою цього та газового кисню організм може спалювати енергетично багаті речовини та отримувати з них необхідну енергію. Сам кисень не забезпечує нас жодною енергією, але він необхідний для здійснення хімічних процесів горіння в організмі і тому є важливим для нашого виживання.

Організм знає безліч різних видів енергоносіїв:

• Глюкоза (цукор) є основним носієм енергії та основним будівельним елементом, а також кінцевим продуктом, що виділяється з усіх крохмалистих продуктів
• Жирні кислоти та гліцерин є кінцевими продуктами розщеплення жирів і можуть також використовуватися у виробництві енергії
• Остання група енергоносіїв - це амінокислоти, які залишились як продукт розпаду білка. Після певної трансформації в організмі вони також можуть бути використані для дихання клітин і, отже, для виробництва енергії

Детальніше про це читайте в Фізичні вправи та спалювання жиру

Найпоширенішим джерелом енергії, що використовується організмом людини, є глюкоза. Існує ланцюг реакцій, які в підсумку призводять до продуктів CO2 і H2O із споживанням кисню. Цей процес включає в себе Гліколіз, так що Розщеплення глюкози і передача товару, Піруват через проміжний етап 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 вливаються в цей цикл. Називається процес, при якому жирні кислоти «розщеплюються», щоб вони також могли вливатися в цикл лимонної кислоти Бета-окислення.

Отже, цикл лимонної кислоти є своєрідною точкою входу, де всі джерела енергії можуть надходити в енергетичний обмін. Цикл відбувається в Мітохондрії натомість "енергетичні електростанції" клітин людини.

Під час усіх цих процесів частина енергії споживається у формі АТФ, але вона вже отримана, як це відбувається, наприклад, при гліколізі. Крім того, існують переважно інші проміжні запаси енергії (наприклад, NADH, FADH2), які виконують свою функцію лише проміжних запасів енергії під час виробництва енергії. Потім ці молекули проміжного накопичення перетікають на останній етап дихання клітин, а саме етап окисного фосфорилювання, також відомий як дихальний ланцюг. Це крок, на шляху якого досі працювали всі процеси. Дихальний ланцюг, який також має місце в мітохондріях, також складається з декількох етапів, на яких універсальний енергоносій АТФ потім отримується з багатих енергією молекул проміжного накопичення. Загалом розпад однієї молекули глюкози призводить до загальної кількості 32 молекул АТФ.

Для особливо зацікавлених

Дихальний ланцюг містить різні білкові комплекси, які відіграють тут дуже цікаву роль. Вони функціонують як насоси, які перекачують протони (іони Н +) у порожнину подвійної мембрани мітохондрій, споживаючи проміжні молекули накопичення, завдяки чому там є висока концентрація протонів. Це спричиняє градієнт концентрації між міжмембранним простором та мітохондріальним матриксом. За допомогою цього градієнта зрештою існує молекула білка, яка працює подібно до типу водяних турбін. Рухаючись цим градієнтом у протонах, білок синтезує молекулу АТФ з АДФ і фосфатної групи.

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

АТФ

Аденозинтрифосфат (АТФ) є носієм енергії людського тіла. Вся енергія, яка виникає від клітинного дихання, спочатку зберігається у формі АТФ. Тіло може використовувати енергію, лише якщо вона знаходиться у формі молекули АТФ.

Якщо енергія молекули АТФ витрачається, з АТФ утворюється аденозиндифосфат (АДФ), завдяки чому фосфатна група молекули відщеплюється і енергія виділяється. Клітинне дихання або вироблення енергії служить для мети безперервної регенерації АТФ з так званого АДФ, щоб організм міг використовувати його знову.

Рівняння реакції

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

З вищезазначених причин найкраще описати рівняння для розпаду глюкози. Молекула глюкози (C6H12O6) та 6 молекул кисню (O2) утворюють загалом 6 молекул вуглекислого газу (CO2) та 6 молекул води (H2O):

• 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, дріжджі під час бродіння. Місце, де клітини здійснюють гліколіз, знаходиться в цитоплазмі. Тут присутні ферменти, які прискорюють реакції гліколізу, щоб як безпосередньо синтезувати АТФ, так і забезпечувати субстрати для циклу лимонної кислоти. Цей процес створює енергію у вигляді двох молекул АТФ і двох молекул NADH + H +. Гліколіз разом із циклом лимонної кислоти та дихальним ланцюгом, обидва розташовані в мітохондрії, являють собою шлях розпаду простого цукру-глюкози до універсального енергетичного носія АТФ. Гліколіз відбувається в цитозолі всіх клітин тварин і рослин. . Кінцевим продуктом гліколізу є піруват, який потім може бути введений у цикл лимонної кислоти через проміжний етап.

Загалом для гліколізу на молекулу глюкози використовується 2 АТФ, щоб мати можливість здійснювати реакції. Однак одержують 4 АТФ, так що фактично отримують чистий приріст 2 молекул АТФ.

Гліколіз 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 реакційних етапах цукор перетворюється у фруктозо-1,6-бісфосфат за допомогою двох фосфатів і перегрупування. Тепер цей активований цукор розщеплюється на дві молекули з трьома атомами вуглецю кожна. Подальші перебудови та видалення двох фосфатних груп в кінцевому результаті призводять до двох піруватів. Якщо тепер доступний кисень (O2), піруват може бути далі метаболізований до ацетил-КоА і введений у цикл лимонної кислоти. Загалом, гліколіз з двома молекулами АТФ і двома молекулами NADH + H + має відносно низький вихід енергії. Однак він закладає основу для подальшого розщеплення цукру і тому є важливим для вироблення АТФ у клітинному диханні.

На цьому етапі має сенс розділити аеробний та анаеробний гліколіз. Аеробний гліколіз призводить до описаного вище пірувату, який потім можна використовувати для отримання енергії.
На відміну від анаеробного гліколізу, який відбувається в умовах дефіциту кисню, піруват більше не можна використовувати, оскільки цикл лимонної кислоти вимагає кисню. В контексті гліколізу також створюється молекула проміжного накопичення NADH, яка сама по собі багата енергією і також надходила б в цикл Кребса в аеробних умовах. Однак батьківська молекула NAD + необхідна для підтримки гліколізу. Ось чому організм тут «кусає» «кисле яблуко» і перетворює цю високоенергетичну молекулу назад у первісну форму. Піруват використовується для здійснення реакції. З пірувату утворюється так званий лактат або молочна кислота.

Детальніше про це читайте в

• Лактат
• Анаеробний поріг

Що таке дихальний ланцюг?

Дихальний ланцюг є останньою частиною шляху розпаду глюкози. Після того, як цукор метаболізується в процесі гліколізу та циклу лимонної кислоти, дихальний ланцюг виконує функцію регенерації еквівалентів відновлення (NADH + H + та FADH2), які створюються. Це створює універсальний енергоносій АТФ (аденозинтрифосфат). Як і цикл лимонної кислоти, дихальний ланцюг знаходиться в мітохондріях, які тому називають також "електростанціями клітини". Дихальний 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 переносяться з матричного простору в міжмембранний простір. Два протони також закачуються в міжмембранний простір у кожному з наступних трьох ферментних комплексів. Це створює градієнт концентрації, який використовується для отримання АТФ. Для цього протони надходять з міжмембранного простору через АТФ-синтазу назад у матричний простір. Виділена енергія використовується для остаточного продукування АТФ з АДФ (аденозиндифосфату) та фосфату. Іншим завданням дихального ланцюга є перехоплення електронів, що утворюються в результаті окислення редукційних еквівалентів. Це робиться шляхом перенесення електронів на кисень. З’єднуючи електрони, протони та кисень, утворюється нормальна вода в четвертому ферментному комплексі (цитохром с оксидаза). Це також пояснює, чому дихальний ланцюг може мати місце лише тоді, коли достатньо кисню.

Які завдання мітохондрій у диханні клітин?

Мітохондрії - це органели, які є лише в клітинах еукаріотів. Їх також називають «електростанціями клітини», оскільки саме в них відбувається дихання клітин. Кінцевим продуктом клітинного дихання є АТФ (аденозинтрифосфат). Це універсальний енергоносій, який необхідний в цілому людському організму. Компартменталізація мітохондрій є необхідною умовою дихання клітин. Це означає, що в мітохондрії є окремі реакційні простори. Це досягається внутрішньою і зовнішньою мембраною, так що існує міжмембранний простір і 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 з різних еквівалентів відновлення, таких як NADH + H + і FADH2, які тим самим регенеруються до NAD + і FAD.

АТФ-синтаза - останній фермент у дихальному ланцюзі, де в кінцевому підсумку виробляється АТФ. Рухаючись різницею концентрацій, протони надходять з міжмембранного простору через АТФ-синтазу в матричний простір. Цей потік позитивного заряду вивільняє енергію, яка використовується для отримання АТФ з АДФ (аденозиндифосфату) та фосфату. Мітохондрії особливо придатні для дихального ланцюга, оскільки завдяки подвійній мембрані вони мають два реакційні простори. Крім того, в мітохондрії проходить безліч 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 дихання клітин.

Тут ви можете дізнатись все про тему дихального ланцюга

Енергетичний баланс

Енергетичний баланс дихання клітин у випадку глюкози можна узагальнити наступним чином, утворюючи 32 молекули АТФ на глюкозу:

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

(З метою ясності АДФ та фосфатний залишок Pi були пропущені в освіті)

В анаеробних умовах, тобто нестачі кисню, цикл лимонної кислоти не може протікати, а енергію можна отримати лише за допомогою аеробного гліколізу:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP стають 2 лактатом + 2 ATP. + 2 H2O. Отже, на молекулу глюкози виходить лише близько 6% пропорції, як це було б у випадку аеробного гліколізу.

Хвороби, пов’язані з клітинним диханням

Клітинне дихання має важливе значення для виживання, тобто багато мутацій у генах, що кодують білки клітинного дихання, наприклад, ферменти гліколізу, є летальними (фатальний) є. Однак генетичні захворювання клітинного дихання все ж трапляються. Вони можуть походити з ядерної ДНК, а також з мітохондріальної ДНК. Самі мітохондрії містять власний генетичний матеріал, необхідний для дихання клітин. Однак ці захворювання мають схожі симптоми, оскільки їх усіх об’єднує одне: вони втручаються в клітинне дихання і порушують його.

Клітинні респіраторні захворювання часто мають подібні клінічні симптоми. Тут це особливо важливо Порушення тканин, яким потрібно багато енергії. До них, зокрема, належать клітини нервів, м’язів, серця, нирок та печінки. Такі симптоми, як м'язова слабкість або ознаки пошкодження мозку, часто виникають навіть у молодому віці, якщо не під час народження. Також говорить яскраво вираженим Лактоацидоз (Надмірне підкислення організму лактатом, який накопичується, оскільки піруват не може бути в достатній мірі розщеплений у циклі лимонної кислоти). Внутрішні органи також можуть не працювати.

Діагностикою та терапією захворювань клітинного дихання повинні займатись фахівці, оскільки клінічна картина може виявитися дуже різноманітною і різною. На сьогодні це все ще відсутність причинно-наслідкової та лікувальної терапії дає. Лікувати захворювання можна лише симптоматично.

Оскільки мітохондріальна ДНК передається від матері дітям дуже складно, жінкам, які страждають на захворювання клітинного дихання, слід звернутися до фахівця, якщо вони хочуть мати дітей, оскільки лише вони можуть оцінити ймовірність успадкування.