Žmonių ląstelių kvėpavimas

apibrėžimas

Ląstelių kvėpavimas, dar vadinamas aerobiniu (iš senovės graikų kalbos „aer“ - oras), apibūdina maistinių medžiagų, tokių kaip gliukozė ar riebiosios rūgštys, skaidymą žmonėms, deguoniui (O2) generuojant energiją, reikalingą ląstelėms išgyventi. Maistinės medžiagos yra oksiduojamos, t. jie išskiria elektronus, nes sumažėja deguonis, o tai reiškia, kad jis priima elektronus. Galutiniai deguonies ir maistinių medžiagų produktai yra anglies dioksidas (CO2) ir vanduo (H2O).

Ląstelių kvėpavimo funkcija ir uždaviniai

Visi procesai žmogaus kūne reikalauja energijos. Treniruotėms, smegenų funkcijai, širdies plakimui, seilių ar plaukų formavimui ir net virškinimui reikalinga energija.

Be to, kūnui reikia deguonies, kad galėtų išgyventi. Čia ypač svarbus ląstelių kvėpavimas. Šio ir dujinio deguonies pagalba kūnas gali sudeginti daug energijos turinčias medžiagas ir iš jų gauti reikiamą energiją. Pats deguonis nesuteikia mums jokios energijos, tačiau jis reikalingas cheminiams degimo procesams organizme vykdyti, todėl yra būtinas mūsų išlikimui.

Kūnas žino daugybę skirtingų energijos nešiklių rūšių:

• Gliukozė (cukrus) yra pagrindinis energijos šaltinis ir pagrindinis elementas, taip pat galutinis produktas, suskaidytas iš visų krakmolingų maisto produktų
• Riebalų rūgštys ir glicerinas yra galutiniai riebalų skaidymo produktai, kurie taip pat gali būti naudojami energijai gaminti
• Paskutinė energijos šaltinių grupė yra aminorūgštys, kurios liko kaip baltymų skilimo produktas. Po tam tikros organizmo transformacijos jie taip pat gali būti naudojami ląstelių kvėpavimui ir tokiu būdu energijai gaminti

Skaitykite daugiau apie tai Pratimai ir riebalų deginimas

Dažniausias energijos šaltinis, kurį naudoja žmogaus kūnas, yra gliukozė. Yra reakcijų grandinė, kurios rezultatas yra CO2 ir H2O produktai, sunaudojant deguonį. Šis procesas apima: Glikolizė, Taigi Gliukozės padalijimas ir produkto perdavimas, Piruvato per tarpinį Acetil-CoA viduje Citrinos rūgšties ciklas (Sinonimas: citrinos rūgšties ciklas arba Krebso ciklas). Į šį ciklą patenka ir kitų maistinių medžiagų, tokių kaip aminorūgštys ar riebalų rūgštys, skilimo produktai. Kviečiamas procesas, kurio metu riebiosios rūgštys „suskaidomos“ taip, kad jos taip pat galėtų patekti į citrinos rūgšties ciklą Beta oksidacija.

Todėl citrinos rūgšties ciklas yra savotiškas įleidimo taškas, kuriame visi energijos nešėjai gali būti įtraukti į energijos apykaitą. Ciklas vyksta Mitochondrijos vietoj to, žmogaus ląstelių „energetinės jėgainės“.

Visų šių procesų metu dalis energijos sunaudojama kaip ATP, tačiau ji jau gaunama, kaip, pavyzdžiui, glikolizės metu. Be to, vyrauja kitos tarpinės energijos atsargos (pvz., NADH, FADH2), kurios atlieka tik energijos tarpinių atsargų funkciją gaminant energiją. Šios tarpinės saugojimo molekulės patenka į paskutinį ląstelių kvėpavimo žingsnį, būtent į oksidacinio fosforilinimo etapą, dar vadinamą kvėpavimo grandine. Tai yra žingsnis, link kurio visi procesai suveikė iki šiol. Kvėpavimo takų grandinė, kuri taip pat vyksta mitochondrijose, taip pat susideda iš kelių etapų, kurių metu energijai turtingos tarpinės akumuliacinės molekulės yra panaudojamos universalios energijos nešikliui ATP išgauti. Iš viso suskaidžius vieną gliukozės molekulę iš viso susidaro 32 ATP molekulės.

Tiems, kurie ypač domisi

Kvėpavimo grandinėje yra įvairių baltymų kompleksų, kurie čia vaidina labai įdomų vaidmenį. Jie veikia kaip siurbliai, pumpuojantys protonus (H + jonus) į mitochondrijų dvigubos membranos ertmę, kartu sunaudodami tarpines kaupimo molekules, taigi ten yra didelė protonų koncentracija. Tai sukelia koncentracijos gradientą tarp tarpląstelinės erdvės ir mitochondrijų matricos. Šio gradiento pagalba galiausiai yra baltymo molekulė, veikianti panašiai kaip vandens turbinos rūšis. Dėl šio gradiento protonuose baltymas sintezuoja ATP molekulę iš ADP ir fosfato grupės.

Daugiau informacijos galite rasti čia: Kokia yra kvėpavimo grandinė?

ATP

Adenozino trifosfatas (ATP) yra žmogaus kūno energijos nešiklis. Visa energija, atsirandanti dėl ląstelių kvėpavimo, iš pradžių kaupiama ATP pavidalu. Kūnas energiją gali naudoti tik tada, kai yra ATP molekulės pavidalu.

Jei išeikvojama ATP molekulės energija, iš ATP sukuriamas adenozino difosfatas (ADP), kurio metu molekulės fosfato grupė yra suskaidoma ir energija išsiskiria. Ląstelinis kvėpavimas ar energijos generavimas yra tikslas nuolatos regeneruoti ATP iš vadinamojo ADP, kad kūnas galėtų jį vėl naudoti.

Reakcijos lygtis

Dėl to, kad riebiosios rūgštys yra skirtingo ilgio ir aminorūgštys taip pat turi labai skirtingas struktūras, neįmanoma nustatyti paprastos šių dviejų grupių lygčių, kad būtų galima tiksliai apibūdinti jų energijos kiekį ląstelių kvėpavimo metu. Nes kiekvienas struktūrinis pokytis gali nulemti, kuriame citrato ciklo žingsnyje teka amino rūgštis.
Riebalų rūgščių pasiskirstymas vadinamojoje beta oksidacijoje priklauso nuo jų ilgio. Kuo ilgesnės riebalų rūgštys, tuo daugiau energijos iš jų galima gauti. Tai gali skirtis tarp sočiųjų ir nesočiųjų riebiųjų rūgščių, o nesočiosios suteikia minimaliai mažiau energijos, jei jų yra tiek pat.

Dėl jau minėtų priežasčių geriausiai galima apibūdinti gliukozės pasiskirstymo lygtį. Iš gliukozės molekulės (C6H12O6) ir 6 deguonies molekules (O2) iš viso susidaro 6 anglies dioksido (CO2) ir 6 vandens molekulės (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 tampa 6 CO2 + 6 H2O

Kas yra glikolizė?

Glikolizė apibūdina gliukozės, t. Y. Vynuogių cukraus, skilimą. Šis metabolinis kelias vyksta žmogaus ląstelėse, taip pat ir kitose, pvz. mielių fermentacijos metu. Vieta, kur ląstelės atlieka glikolizę, yra citoplazmoje. Čia yra fermentų, kurie pagreitina glikolizės reakcijas, kad būtų galima tiesiogiai sintetinti ATP ir tiekti substratus citrinos rūgšties ciklui. Šis procesas sukuria energiją dviejų ATP molekulių ir dviejų NADH + H + molekulių pavidalu. Glikolizė kartu su citrinos rūgšties ciklu ir kvėpavimo grandine, kurios abi yra išsidėsčiusios mitochondrijuose, žymi paprastojo cukraus gliukozės skilimo kelią į visuotinį energijos nešiklį ATP.Glikolizė vyksta visų gyvūninių ir augalų ląstelių citozolyje.Galutinis glikolizės produktas yra piruvatas, kuris vėliau gali būti įvestas į citrinos rūgšties ciklą per tarpinę pakopą.

Iš viso glikolizėje kiekvienai gliukozės molekulei naudojami 2 ATP, kad būtų galima atlikti reakcijas. Tačiau gaunami 4 ATP, kad iš tikrųjų būtų gaunamas 2 ATP molekulių grynasis pelnas.

Dešimt glikolizės reakcijos etapų, kol cukrus su 6 anglies atomais virsta dviem piruvato molekulėmis, kiekviena sudaryta iš trijų anglies atomų. Pirmaisiais keturiais reakcijos etapais cukrus paverčiamas fruktozės-1,6-bisfosfatu, naudojant du fosfatus ir pertvarkant. Šis aktyvuotas cukrus dabar yra padalintas į dvi molekules, turinčias tris anglies atomus. Tolesni pertvarkymai ir dviejų fosfato grupių pašalinimas galiausiai sukuria du piruvatus. Jei dabar yra deguonies (O2), piruvatas gali būti toliau metabolizuojamas į acetil-CoA ir įvedamas į citrinos rūgšties ciklą. Apskritai, glikolizė su 2 ATP molekulėmis ir dviem NADH + H + molekulėmis suteikia santykinai mažą energijos išeigą. Tačiau tai yra pagrindas tolesniam cukraus skaidymui, todėl yra būtinas gaminant ATP ląstelių kvėpavimo metu.

Šiuo metu prasminga atskirti aerobinę ir anaerobinę glikolizę. Aerobinė glikolizė lemia aukščiau aprašytą piruvatą, kuris vėliau gali būti naudojamas energijai generuoti.
Kita vertus, dėl anaerobinės glikolizės, vykstančios deguonies trūkumo sąlygomis, piruvato nebegalima naudoti, nes citrinos rūgšties ciklui reikia deguonies. Glikolizės metu taip pat sukuriama tarpinė saugojimo molekulė NADH, kuri pati turi daug energijos ir kuri aerobinėmis sąlygomis taip pat tektų Krebso ciklui. Tačiau pradinė molekulė NAD + yra būtina glikolizei palaikyti. Štai kodėl kūnas „įkando“ „rūgštųjį obuolį“ ir paverčia šią didelės energijos molekulę atgal į pradinę formą. Piruvatas naudojamas reakcijai vykdyti. Iš piruvato susidaro vadinamoji laktatas arba pieno rūgštis.

Skaitykite daugiau apie tai

• Laktatas
• Anaerobinis slenkstis

Kokia yra kvėpavimo grandinė?

Kvėpavimo takų grandinė yra paskutinė gliukozės skilimo kelio dalis. Po to, kai cukrus metabolizuojamas glikolizės ir citrinos rūgšties cikle, kvėpavimo takų grandinė atlieka regeneruojamus redukcijos ekvivalentus (NADH + H + ir FADH2). Taip susidaro universalus energijos nešiklis ATP (adenozino trifosfatas). Kaip ir citrinos rūgšties ciklas, kvėpavimo takų grandinė yra mitochondrijose, todėl jos taip pat vadinamos „ląstelės elektrinėmis“. Kvėpavimo takų grandinę sudaro penki fermentų kompleksai, įterpti į vidinę mitochondrijų membraną. Pirmieji du fermentų kompleksai regeneruoja NADH + H + (arba FADH2) į NAD + (arba FAD). NADH + H + oksidacijos metu keturi protonai yra transportuojami iš matricos erdvės į tarpląstelinę erdvę. Du protonai taip pat pumpuojami į tarpląstelinę erdvę kitiems trims fermentų kompleksams. Tai sukuria koncentracijos gradientą, kuris naudojamas ATP gauti. Šiuo tikslu protonai iš tarpmembraninės erdvės teka per ATP sintazę atgal į matricos erdvę. Išleista energija naudojama ATP galutiniam gamybai iš ADP (adenozino difosfato) ir fosfato. Kitas kvėpavimo grandinės uždavinys yra sulaikyti elektronus, kuriuos sukuria oksidacijos redukcijos ekvivalentai. Tai atliekama perduodant elektronus deguoniui. Sujungiant elektronus, protonus ir deguonį, ketvirtajame fermentų komplekse (citochromo c oksidazė) sukuriamas normalus vanduo. Tai taip pat paaiškina, kodėl kvėpavimo takų grandinė gali vykti tik tada, kai yra pakankamai deguonies.

Kokias užduotis mitochondrijos atlieka ląstelių kvėpavime?

Mitochondrijos yra organelės, kurios randamos tik eukariotų ląstelėse. Jie taip pat vadinami „ląstelės elektrinėmis“, nes būtent jose vyksta ląstelių kvėpavimas. Galutinis ląstelių kvėpavimo produktas yra ATP (adenozino trifosfatas). Tai yra universalus energijos nešiklis, kurio reikia visam žmogaus organizmui. Mitochondrijų skyriai yra būtina ląstelių kvėpavimo sąlyga. Tai reiškia, kad mitochondrijoje yra atskiros reakcijos vietos. Tai pasiekiama vidine ir išorine membranomis, kad būtų tarpueilinė erdvė ir vidinė matricos erdvė.

Kvėpavimo grandinės metu protonai (vandenilio jonai, H +) yra pernešami į tarpląstelinę erdvę, todėl atsiranda protonų koncentracijos skirtumas. Šie protonai yra iš įvairių redukcijos ekvivalentų, tokių kaip NADH + H + ir FADH2, kurie tokiu būdu yra regeneruojami į NAD + ir FAD.

ATP sintazė yra paskutinis fermentas kvėpavimo grandinėje, kuriame galiausiai gaminamas ATP. Dėl koncentracijos skirtumo protonai iš tarpmembraninės erdvės per ATP sintazę patenka į matricos erdvę. Šis teigiamo krūvio srautas išskiria energiją, kuri naudojama ATP gamyboje iš ADP (adenozino difosfato) ir fosfato. Mitochondrijos yra ypač tinkamos kvėpavimo grandinei, nes dėl dvigubos membranos jos turi dvi reakcijos erdves. Be to, mitochondrijoje vyksta daugybė medžiagų apykaitos būdų (glikolizė, citrinų rūgšties ciklas), iš kurių kvėpavimo grandinei gaunamos pradinės medžiagos (NADH + H +, FADH2). Šis erdvinis artumas yra dar vienas privalumas ir daro mitochondrijas idealia vieta ląstelių kvėpavimui.

Čia galite sužinoti viską apie kvėpavimo grandinės temą

Energijos balansas

Ląstelių kvėpavimo energijos balansas gliukozės atveju gali būti apibendrintas taip: kiekvienoje gliukozėje susidaro 32 ATP molekulės:

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

(Aiškumo dėlei ADP ir fosfato liekanos Pi buvo praleistos iš aktyvuotų medžiagų)

Anaerobinėmis sąlygomis, ty deguonies trūkumu, citrinos rūgšties ciklas negali vykti, o energija gali būti gaunama tik atliekant aerobinę glikolizę:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP tampa 2 laktatais + 2 ATP. + 2 H2O. Taigi vienoje gliukozės molekulėje gaunama tik apie 6% proporcijos, kaip tai būtų daroma aerobinės glikolizės metu.

Ligos, susijusios su ląstelių kvėpavimu

Ląstelinis kvėpavimas yra būtinas išgyvenimuit.y. kad daugybė genų, atsakingų už ląstelių kvėpavimo baltymus, mutacijų, pvz. Glikolizės, kodavimo, mirtino (mirtinas) yra. Tačiau genetinės ląstelių kvėpavimo ligos pasitaiko. Tai gali kilti iš branduolinės DNR arba iš mitochondrijų DNR. Patys mitochondrijos turi savo genetinę medžiagą, reikalingą ląstelių kvėpavimui. Tačiau šios ligos pasireiškia panašiais simptomais, nes jos visos turi vieną bendrą bruožą: jos įsikiša į ląstelių kvėpavimą ir ją sutrikdo.

Ląstelių kvėpavimo takų ligos dažnai pasireiškia panašiais klinikiniais simptomais. Čia ypač svarbu Audinių sutrikimai, kuriems reikia daug energijos. Tai visų pirma apima nervų, raumenų, širdies, inkstų ir kepenų ląsteles. Tokie simptomai kaip raumenų silpnumas ar smegenų pažeidimo požymiai dažnai pasireiškia net jauname amžiuje, jei ne gimimo metu. Taip pat kalba tariamai Pieno rūgšties acidozė (Per didelis kūno rūgštėjimas laktatu, kuris kaupiasi, nes piruvato negalima pakankamai suskaidyti citrinos rūgšties cikle). Sutrikti gali ir vidaus organai.

Ląstelių kvėpavimo ligų diagnozę ir terapiją turėtų atlikti specialistai, nes klinikinis vaizdas gali būti labai įvairus ir skirtingas. Šiandien ji vis dar yra nėra priežastinio ir gydomojo gydymo duoda. Ligos gali būti gydomos tik simptomiškai.

Kadangi mitochondrijų DNR iš motinos vaikams perduodamos labai sudėtingai, moterys, kenčiančios nuo ląstelių kvėpavimo ligos, turėtų kreiptis į specialistą, jei nori turėti vaikų, nes tik jos gali įvertinti paveldėjimo tikimybę.