Клетъчно дишане при хората

определение

Клетъчното дишане, наричано още аеробно (от древногръцки "aer" - въздух), описва разграждането на хранителни вещества като глюкоза или мастни киселини при хората, използващи кислород (O2) за генериране на енергия, необходима за оцеляването на клетките. В този процес хранителните вещества се окисляват, т.е.отдават електрони, докато кислородът се редуцира, което означава, че той приема електрони. Крайните продукти, които се получават от кислорода и хранителните вещества, са въглеродният диоксид (CO2) и водата (H2O).

Функция и задачи на клетъчното дишане

Всички процеси в човешкото тяло изискват енергия. Упражненията, мозъчната функция, биенето на сърцето, слюнката или направата 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 това 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 е необходим за извършване на химическите процеси на горене в тялото и следователно е от съществено значение за нашето оцеляване.

Тялото познава много различни видове енергийни носители:

• Глюкозата (захарта) е основният енергиен носител и основен градивен елемент, както и крайният продукт, разделен от всички нишестени храни
• Мастните киселини и глицеринът са крайните продукти на разграждането на мазнините и могат да се използват и за производство на енергия
• Последната група енергийни носители са аминокиселините, които са останали като продукт на разграждането на протеините. След определена трансформация в тялото, те могат след това да се използват и за дишане на клетките и по този начин за генериране на енергия

Прочетете повече за това под Упражнения и изгаряне на мазнини

Най-често срещаният източник на енергия, използван от човешкото тяло, е глюкозата. Съществува 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-КоА в Цикъл на лимонена киселина (Синоним: цикъл на лимонена киселина или цикъл на Кребс). Продуктите на разграждането 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 преминат в цикъла на лимонената киселина Бета окисление.

Цикълът на лимонената киселина следователно е един вид входна точка, където всички енергийни източници могат да бъдат подадени в енергийния метаболизъм. Цикълът се провежда в Митохондрии вместо това „енергийните централи“ на човешките клетки.

По време на всички тези процеси се изразходва част от енергията под формата на АТФ, но тя вече е получена, както е например при гликолизата. Освен това има предимно други междинни енергийни запаси (напр. NADH, FADH2), които изпълняват функцията си само като междинни енергийни запаси по време на производството на енергия. След това тези молекули за междинно съхранение се вливат в последния етап от клетъчното дишане, а именно в етапа на окислително фосфорилиране, известен още като дихателна верига. Това е стъпката, към която всички процеси са работили досега. Дихателната верига, която също се осъществява в митохондриите, също се състои от няколко стъпки, при които универсалният енергиен носител АТФ след това се получава от богатите на енергия молекули за междинно съхранение. Общо разграждането на една молекула глюкоза води до общо 32 молекули АТФ.

За особено заинтересованите

Дихателната верига съдържа различни протеинови комплекси, които играят тук много интересна роля. Те функционират като помпи, които изпомпват протони (H + йони) в кухината на митохондриалната двойна мембрана, докато консумират междинните молекули за съхранение, така че там има висока концентрация на протони. Това причинява градиент на концентрация между междумембранното 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 АТФ молекула от ADP и фосфатна група.

Повече информация можете да намерите тук: Какво представлява дихателната верига?

ATP

The 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 молекула АТФ.

Ако енергията на молекулата на АТФ се изразходва, от АТФ се създава аденозин дифосфат (АДФ), при което фосфатната група на молекулата се отделя и енергията се освобождава. Клетъчното дишане или генерирането на енергия служи за непрекъснато регенериране на АТФ от така наречения ADP, 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 различна структура, не е възможно да се създаде просто уравнение за тези две групи, което точно да характеризира техния енергиен добив 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 окисление 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 мастни киселини осигуряват минимално по-малко енергия, при условие че имат същото количество.

Поради вече споменатите причини най-добре може да се опише уравнение за разграждането на глюкозата. Молекулата на глюкозата (C6H12O6) и 6 молекули кислород (O2) водят до общо 6 молекули въглероден диоксид (CO2) и 6 молекули вода (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 стават 6 CO2 + 6 H2O

Какво е гликолиза?

Гликолизата описва разграждането на глюкозата, т.е. гроздова захар. Този метаболитен път протича както в човешките клетки, така и в други, например дрожди по време на ферментацията. Мястото, където клетките извършват гликолиза, е в цитоплазмата. Тук присъстват 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 NADH + H +. Гликолизата, заедно с цикъла на лимонената киселина и дихателната верига, и двете разположени в митохондрията, представляват пътя на разграждане на простата захарна глюкоза до универсалния енергиен носител АТФ. Гликолизата се извършва 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 АТФ на молекула глюкоза при гликолиза, за да могат да се проведат реакциите. Получават се обаче 4 ATP, така че на практика има нетна печалба от 2 ATP молекули.

Десет стъпки на гликолиза, 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 реакцията 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-нататъшните пренареждания и отстраняването на двете фосфатни групи в крайна сметка водят до два пирувата. Ако вече е наличен кислород (O2), пируватът може да бъде допълнително метаболизиран до ацетил-КоА и въведен в цикъла на лимонената киселина. Като цяло гликолизата с две молекули АТФ и две молекули NADH + H + има относително нисък енергиен добив. Въпреки това, той поставя основата за по-нататъшното разграждане на захарта и следователно е от съществено значение за производството на АТФ в клетъчното дишане.

На този етап има смисъл да се разделят аеробна и анаеробна гликолиза. Аеробната гликолиза води до пирувата, описан по-горе, който след това може да се използва за генериране на енергия.
За разлика от анаеробната гликолиза, която протича при 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 молекулата за междинно съхранение NADH, която сама по себе си е богата на енергия и също би се вляла в цикъла на Кребс при аеробни условия. Въпреки това, родителската молекула NAD + е необходима за поддържане на гликолизата. Ето защо тялото „хапе“ „киселата ябълка“ тук и превръща тази високоенергийна молекула обратно в първоначалната си форма. Пируватът се използва за осъществяване на реакцията. От пирувата се образува така нареченият лактат или млечна киселина.

Прочетете повече за това под

• Лактат
• Анаеробен праг

Какво представлява дихателната верига?

Дихателната верига е последната част от пътя на разграждане на глюкозата. След като захарта се метаболизира в гликолизата и цикъла на лимонената киселина, дихателната верига има функцията да регенерира редуциращите 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 следователно се наричат ​​и „електроцентралите 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 окислението на NADH + H +, четири протона се транспортират от пространството на матрицата в междумембранното пространство. Два протона също се изпомпват в междумембранното пространство във всеки от следващите три ензимни комплекса. Това създава градиент на концентрация, който се използва за получаване на АТФ. За тази цел протоните текат от междумембранното пространство през АТР-синтазата обратно в пространството на матрицата. Освободената енергия се използва за окончателно производство на АТФ от ADP (аденозин дифосфат) и фосфат. Друга задача на дихателната верига е да прихваща електроните, генерирани от окисляването на редукционните еквиваленти. Това става чрез прехвърляне на електроните в кислород. Чрез обединяването на електрони, протони и кислород се създава нормална вода в четвъртия ензимен комплекс (цитохром с оксидаза). Това също обяснява защо дихателната верига може да се осъществи само когато има достатъчно кислород.

Какви са задачите на митохондриите при дишането на клетките?

Митохондриите са органели, които се намират само в еукариотни клетки. Те също така са наричани „електроцентрали на клетката“, тъй като в тях се осъществява дишането на клетките. Крайният продукт на клетъчното дишане е АТФ (аденозин трифосфат). Това е универсален енергиен носител, който се изисква в целия човешки организъм. Разделянето на митохондриите е предпоставка за дишане на клетките. Това означава, че в митохондрията има отделни пространства за реакция. Това се постига чрез вътрешна и външна мембрана, така че да има междумембранно 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 идват от различни еквиваленти на редукция, 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. Задвижвани от разликата в концентрацията, протоните изтичат от междумембранното пространство през АТР-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 осъществяват в митохондрията. Тази пространствена близост е друго предимство и прави митохондриите идеалното място за дишане на клетките.

Тук можете да разберете всичко по темата за дихателната верига

Енергиен баланс

Енергийният баланс на клетъчното дишане в случай на глюкоза може да бъде обобщен, както следва, с образуването на 32 молекули АТФ на глюкоза:

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

(За по-голяма яснота ADP и фосфатният остатък Pi са пропуснати от образованието)

При анаеробни условия, т.е. липса на кислород, цикълът на лимонената киселина не може да протече и енергия може да се получи само чрез аеробна гликолиза:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP стават 2 лактата + 2 ATP. + 2 H2O. Така че само около 6% от дела се получава на молекула глюкоза, какъвто би бил случаят с аеробна гликолиза.

Болести, свързани с клетъчното дишане

The Клетъчното дишане е от съществено значение за оцеляването, т.е. че много мутации в гените, които кодират протеините на клетъчното дишане, например ензимите на гликолиза, са летални (фатално) са. Въпреки това се срещат генетични заболявания на клетъчното дишане. Те могат да произхождат от ядрена ДНК, както и от митохондриална ДНК. Самите митохондрии съдържат собствен генетичен материал, който е необходим за дишането на клетките. 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 особено нервните, мускулните, сърдечните, бъбречните и чернодробните клетки. Симптоми като мускулна слабост или признаци на мозъчно увреждане често се появяват дори в ранна възраст, ако не и по време на раждането. Също така говори ясно Лактатна ацидоза (Прекалено подкисляване на организма с лактат, който се натрупва, тъй като пируватът не може да бъде достатъчно разграден в цикъла на лимонената киселина). Вътрешните органи също могат да се повредят.

Диагностиката и терапията на заболявания на клетъчното дишане трябва да се поемат от специалисти, тъй като клиничната картина може да се окаже много разнообразна и различна. Към днешна дата е все още без причинно-следствена и лечебна терапия дава. Болестите могат да бъдат лекувани само симптоматично.

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