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. Питательные вещества окисляются, т.е. они испускают электроны при восстановлении кислорода, что означает, что он принимает электроны. Конечными продуктами, которые образуются из кислорода и питательных веществ, являются диоксид углерода (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. Здесь особое значение 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 химических процессов горения в организме и, следовательно, необходим для нашего выживания.

Организм знает много разных видов энергоносителей:

• Глюкоза (сахар) является основным источником энергии и основным строительным материалом, а также конечным продуктом, получаемым из всех крахмалистых продуктов.
• Жирные кислоты и глицерин являются конечными продуктами расщепления жиров и также могут использоваться в производстве энергии.
• Последняя группа источников энергии - это аминокислоты, которые остаются в результате распада белка. После определенной трансформации в организме они также могут использоваться для клеточного дыхания и, следовательно, 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, так что Расщепление глюкозы и передача продукта, пируват через промежуточный этап Ацетил-КоА в Цикл лимонной кислоты (Синоним: цикл лимонной кислоты или цикл Кребса). В этот круговорот 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 энергоносители могут быть введены в энергетический обмен. Цикл происходит в Митохондрии вместо этого «энергетические установки» человеческих клеток.

Во время всех этих процессов часть энергии расходуется в форме АТФ, но она уже получается, 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 стадию окислительного фосфорилирования, также известную как дыхательная цепь. Это шаг, на который до сих пор работали все процессы. Дыхательная цепь, которая также проходит в митохондриях, также состоит из нескольких этапов, в которых затем используются богатые энергией промежуточные запасающие молекулы для получения универсального энергоносителя АТФ. 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 возникает молекула белка, которая работает аналогично водяной турбине. Управляемый этим градиентом протонов, белок синтезирует молекулу АТФ из АДФ и фосфатной группы.

Вы можете найти дополнительную информацию здесь: Что такое дыхательная цепь?

ATP

Аденозинтрифосфат (ATP) является энергоносителем человеческого тела. Вся энергия, возникающая в результате клеточного дыхания, изначально хранится в форме АТФ. Организм может использовать энергию, только 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. Клеточное дыхание 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 при клеточном дыхании. Потому что каждое структурное изменение может определять, на какой стадии цитратного цикла течет аминокислота.
Распад жирных кислот при так называемом бета-окислении 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 дают минимально меньше энергии при условии, что они имеют одинаковое количество.

По уже упомянутым причинам лучше всего можно описать уравнение для расщепления глюкозы. Это создает в общей сложности 6 молекул диоксида углерода (CO2) и 6 молекул воды (H2O) из молекулы глюкозы (C6H12O6) и 6 молекул кислорода (O2):

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

Что такое гликолиз?

Гликолиз описывает расщепление глюкозы, то есть виноградного сахара. Этот метаболический путь имеет место как в клетках человека, так и в других, например в случае дрожжей во время брожения. Место, где клетки производят гликолиз, находится в цитоплазме. Здесь есть ферменты, которые ускоряют реакции гликолиза, чтобы как напрямую синтезировать АТФ, так и обеспечить субстраты 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 эффективный 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 в ацетил-КоА и введен в цикл лимонной кислоты. В целом, гликолиз 2 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.
С другой стороны, при анаэробном гликолизе, который происходит в условиях дефицита кислорода, пируват больше не может использоваться, поскольку 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 цикле гликолиза и лимонной кислоты, дыхательная цепь выполняет функцию восстановления образовавшихся эквивалентов восстановления (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 NADH + H + четыре протона переносятся из матричного пространства в межмембранное пространство. Два протона также закачиваются в межмембранное пространство для 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. Высвобождаемая энергия используется для окончательного производства АТФ из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата. Другая задача дыхательной цепи - улавливать электроны, генерируемые при окислении эквивалентов восстановления. Это делается путем передачи электронов кислороду. 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 достаточном количестве кислорода.

Какие задачи митохондрии выполняют 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. Компартменты митохондрий являются предпосылкой клеточного дыхания. Это означает, что в митохондрии существуют отдельные реакционные пространства. Это достигается за счет внутренней и внешней мембраны, так что существует 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 НАДН + Н + и ФАДН2, которые, таким образом, регенерируются до НАД + и ФАД.

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 были 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 Lactate + 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

Клеточное дыхание необходимо для выживаниято есть что многие мутации в генах, ответственных за белки клеточного дыхания, например Ферменты гликолиза, кодирующие, летальные (фатальный) являются. Однако генетические заболевания клеточного дыхания все же встречаются. Они могут происходить из ядерной ДНК или 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 ярко выраженный Лактоацидоз (Чрезмерное закисление организма лактатом, который накапливается, потому что пируват не может быть достаточно расщеплен в цикле лимонной кислоты). Внутренние органы тоже могут работать со сбоями.

Диагностика и терапия заболеваний клеточного дыхания должны проводиться специалистами, поскольку клиническая картина может быть самой 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.