Celično dihanje pri ljudeh

opredelitev

Celično dihanje, imenovano tudi aerobno (iz starogrškega "aer" - zrak), opisuje razgradnjo hranil, kot so glukoza ali maščobne kisline pri človeku, medtem ko porabijo kisik (O2) za ustvarjanje energije, ki je potrebna za preživetje celic. Hranila se oksidirajo, tj. oddajajo elektrone, saj se kisik zmanjša, kar pomeni, da sprejema elektrone. Končni proizvodi, ki nastanejo iz kisika in hranil, so ogljikov dioksid (CO2) in voda (H2O).

Delovanje in naloge celičnega dihanja

Vsi procesi v človeškem telesu zahtevajo energijo. Vadba, delovanje možganov, bitje srca, slina ali ustvarjanje las in celo prebava potrebujejo energijo za delovanje.

Poleg tega telo potrebuje kisik, da preživi. Tu je še posebej pomemben celični dih. S pomočjo tega in plinskega kisika lahko telo zgore energijsko bogate snovi in ​​iz njih pridobi potrebno energijo. Kisik nam sam ne daje nobene energije, potreben pa je za izvajanje kemičnih procesov zgorevanja v telesu in je zato ključnega pomena za naše preživetje.

Telo pozna veliko različnih vrst nosilcev energije:

• Glukoza (sladkor) je glavni vir energije in osnovni gradnik ter končni produkt, razdeljen od vseh škrobnih živil
• Maščobne kisline in glicerin so končni produkti razgradnje maščob in se lahko uporabljajo tudi pri proizvodnji energije
• Zadnja skupina energetskih virov so aminokisline, ki so ostale kot produkt razgradnje beljakovin. Po določeni transformaciji v telesu jih lahko uporabimo tudi pri celičnem dihanju in s tem za pridobivanje energije

Več o tem preberite pod Vadba in izgorevanje maščob

Najpogostejši vir energije, ki ga človeško telo uporablja, je glukoza. Obstaja veriga reakcij, ki na koncu vodijo do produktov CO2 in H2O s porabo kisika. Ta postopek vključuje Glikoliza, torej Razcep glukoze in prenos izdelka, Piruvat prek vmesnega koraka Acetil-CoA v Cikel citronske kisline (Sinonim: cikel citronske kisline ali Krebsov cikel). V ta cikel se pretakajo tudi produkti razgradnje drugih hranil, kot so aminokisline ali maščobne kisline. Pokliče se postopek, v katerem se maščobne kisline "razgradijo", da lahko tečejo tudi v cikel citronske kisline Beta oksidacija.

Cikel citronske kisline je torej nekakšna vstopna točka, kjer se lahko vsi energetski nosilci napajajo v energijski presnovi. Cikel poteka v Mitohondrije namesto tega so "energetske elektrarne" človeških celic.

Med vsemi temi procesi se porabi nekaj energije v obliki ATP, vendar se že pridobiva, kot je to na primer pri glikolizi. Poleg tega obstajajo pretežno drugi skladišči vmesne energije (npr. NADH, FADH2), ki svojo funkcijo vmesnih zalog energije izpolnjujejo le med pridobivanjem energije. Te vmesne skladiščne molekule nato prehajajo v zadnji korak celičnega dihanja, in sicer v korak oksidacijske fosforilacije, poznane tudi kot dihalna veriga. To je korak, na katerem so doslej delovali vsi procesi. Dihalna veriga, ki poteka tudi v mitohondrijih, je sestavljena tudi iz več korakov, v katerih se energijsko bogate vmesne hranilne molekule nato uporabijo za pridobivanje vsestranskega nosilca energije ATP. Skupno razpad ene molekule glukoze povzroči skupno 32 molekul ATP.

Za tiste, ki jih še posebej zanima

Dihalna veriga vsebuje različne beljakovinske komplekse, ki igrajo tu zelo zanimivo vlogo. Delujejo kot črpalke, ki črpajo protone (H + ione) v votlino dvojne membrane mitohondrijev, medtem ko porabljajo vmesne molekule za shranjevanje, tako da je tam visoka koncentracija protonov. To povzroči gradient koncentracije med med membranskim prostorom in mitohondrijsko matrico. S pomočjo tega gradienta je na koncu beljakovinska molekula, ki deluje podobno kot vrsta vodne turbine. Zaradi tega gradienta v protonih beljakovina sintetizira molekulo ATP iz ADP in fosfatne skupine.

Več informacij najdete tukaj: Kaj je dihalna veriga?

ATP

The Adenozin trifosfat (ATP) je energetski nosilec človeškega telesa. Vsa energija, ki izhaja iz celičnega dihanja, se sprva shrani v obliki ATP. Telo lahko energijo porabi le, če je v obliki molekule ATP.

Če porabimo energijo molekule ATP, iz ATP nastane adenozin-difosfat (ADP), pri čemer se fosfatna skupina molekule odcepi in se sprosti energija. Celično dihanje ali ustvarjanje energije služi nenehnemu obnavljanju ATP iz tako imenovanega ADP, da ga telo lahko ponovno uporablja.

Enačba reakcije

Zaradi dejstva, da so maščobne kisline različnih dolžin in da imajo aminokisline zelo različne strukture, ni mogoče sestaviti preproste enačbe za ti dve skupini, ki bi natančno označila njihov energetski izkoristek pri celičnem dihanju. Ker lahko vsaka strukturna sprememba določi, v katerem koraku cikla citrata teče aminokislina.
Razpad maščobnih kislin pri tako imenovani beta oksidaciji je odvisen od njihove dolžine. Dlje kot so maščobne kisline, več energije lahko pridobimo iz njih. To se razlikuje med nasičenimi in nenasičenimi maščobnimi kislinami, pri čemer nenasičene zagotavljajo minimalno manj energije, če imajo enako količino.

Iz že omenjenih razlogov je mogoče najbolje opisati enačbo za razgradnjo glukoze. Tako nastane 6 molekul ogljikovega dioksida (CO2) in 6 molekul vode (H2O) iz molekule glukoze (C6H12O6) in 6 molekul kisika (O2):

• C6H12O6 + 6 O2 postane 6 CO2 + 6 H2O

Kaj je glikoliza?

Glikoliza opisuje razgradnjo glukoze, to je grozdnega sladkorja. Ta presnovna pot poteka v človeških celicah, pa tudi v drugih, npr. v primeru kvasovk med fermentacijo. Mesto, kjer celice izvajajo glikolizo, je v citoplazmi. Tu so encimi, ki pospešujejo reakcije glikolize, da se sintetizira ATP neposredno in zagotovijo substrati za cikel citronske kisline. Ta proces ustvarja energijo v obliki dveh molekul ATP in dveh molekul NADH + H +. Glikoliza skupaj s ciklom citronske kisline in dihalno verigo, ki se nahajata v mitohondriju, predstavlja razčlenitev preproste glukoze sladkorja do univerzalnega nosilca energije ATP. Glikoliza poteka v citosolu vseh živalskih in rastlinskih celic.Končni produkt glikolize je piruvat, ki ga lahko nato v vmesnem koraku uvedemo v cikel citronske kisline.

Skupno se pri glikolizi uporablja 2 ATP na molekulo glukoze, da lahko izvedemo reakcije. Vendar dobimo 4 ATP, tako da dejansko dobimo 2 molekuli ATP.

Glikoliza deset reakcijskih korakov, dokler se sladkor s 6 atomi ogljika ne spremeni v dve molekuli piruvata, vsaka sestavljena iz treh ogljikovih atomov. V prvih štirih korakih reakcije se sladkor pretvori v fruktozo-1,6-bisfosfat s pomočjo dveh fosfatov in preureditve. Ta aktivirani sladkor je zdaj razdeljen na dve molekuli s po tremi atomi ogljika. Nadaljnja preureditev in odstranitev obeh fosfatnih skupin imata za posledico dva piruvata. Če je zdaj na voljo kisik (O2), se lahko piruvat še naprej presnovi v acetil-CoA in vnese v cikel citronske kisline. Na splošno ima glikoliza z dvema molekulama ATP in dvema molekulama NADH + H + relativno nizek izkoristek energije. Vendar pa postavlja temelje za nadaljnjo razgradnjo sladkorja in je zato ključnega pomena za proizvodnjo ATP pri celičnem dihanju.

Na tem mestu je smiselno ločiti aerobno in anaerobno glikolizo. Aerobna glikoliza vodi do zgoraj opisanega piruvata, ki ga lahko nato uporabimo za pridobivanje energije.
Po drugi strani anaerobne glikolize, ki poteka v razmerah pomanjkanja kisika, piruvata ni več mogoče uporabiti, saj cikel citronske kisline potrebuje kisik. V okviru glikolize nastaja tudi vmesna hranilna molekula NADH, ki je sama po sebi energijsko bogata in bi tudi v aerobnih pogojih pritekla v Krebsov cikel. Vendar je matična molekula NAD + potrebna za vzdrževanje glikolize. Zato telo tu “ugrizne” kislo jabolko in pretvori to visoko energijsko molekulo v prvotno obliko. Za izvedbo reakcije se uporablja piruvat. Iz piruvata nastane tako imenovana laktatna ali mlečna kislina.

Več o tem preberite pod

• Laktat
• Anaerobni prag

Kaj je dihalna veriga?

Dihalna veriga je zadnji del razgradnje glukoze. Ko se sladkor presnovi v glikolizi in ciklu citronske kisline, ima dihalna veriga funkcijo regeneracije redukcijskih ekvivalentov (NADH + H + in FADH2), ki nastanejo. Tako nastane univerzalni nosilec energije ATP (adenozin trifosfat). Tako kot cikel citronske kisline se tudi dihalna veriga nahaja v mitohondrijah, ki jih imenujemo tudi "elektrarne celice". Dihalno verigo sestavlja pet encimskih kompleksov, ki so vgrajeni v notranjo mitohondrijsko membrano. Prva dva encimska kompleksa regenerirata NADH + H + (ali FADH2) v NAD + (ali FAD). Med oksidacijo NADH + H + se štirje protoni prenašajo iz matričnega prostora v medemembranski prostor. Tudi dva protona se črpata v medemembranskem prostoru za naslednje tri encimske komplekse. Tako nastane koncentracijski gradient, ki se uporablja za proizvodnjo ATP. V ta namen protoni tečejo iz medmestnega prostora skozi sintezo ATP nazaj v matrični prostor. Sproščena energija se porabi za končno proizvodnjo ATP iz ADP (adenozin difosfat) in fosfata. Druga naloga dihalne verige je prestrezanje elektronov, ki nastanejo z oksidacijo redukcijskih ekvivalentov. To se izvede s prenosom elektronov na kisik. Z združevanjem elektronov, protonov in kisika nastane normalna voda v četrtem encimskem kompleksu (citokrom c oksidaza). To tudi pojasnjuje, zakaj lahko dihalna veriga poteka le, če je dovolj kisika.

Katere naloge imajo mitohondriji pri celičnem dihanju?

Mitohondrije so organele, ki jih najdemo le v evkariontskih celicah. Imenujejo jih tudi kot "elektrarne v celici", saj v njih poteka dihanje celic. Končni produkt celičnega dihanja je ATP (adenozin trifosfat). To je univerzalni nosilec energije, ki je potreben v celotnem človeškem organizmu. Oddelki mitohondrijev so predpogoj za celično dihanje. To pomeni, da so v mitohondriju ločeni reakcijski prostori. To dosežemo z notranjo in zunanjo membrano, tako da obstajata med membranski prostor in notranji prostor matrice.

V dihalni verigi se protoni (vodikovi ioni, H +) prenašajo v medembranski prostor, tako da nastane razlika v koncentraciji protonov. Ti protoni izvirajo iz različnih ekvivalentov redukcije, kot sta NADH + H + in FADH2, ki se tako regenerirajo v NAD + in FAD.

ATP sintaza je zadnji encim v dihalni verigi, kjer se na koncu proizvede ATP. Zaradi razlike v koncentraciji protoni tečejo iz medmestnega prostora skozi sintezo ATP v prostor matrice. Ta tok pozitivnega naboja sprošča energijo, ki se uporablja za proizvodnjo ATP iz ADP (adenozin difosfat) in fosfata. Mitohondriji so še posebej primerni za dihalno verigo, saj imajo zaradi dvojne membrane dva reakcijska prostora. Poleg tega se v mitohondrionu odvijajo številne presnovne poti (glikoliza, cikel citronske kisline), ki zagotavljajo izhodne snovi (NADH + H +, FADH2) za dihalno verigo. Ta prostorska bližina je še ena prednost in naredi mitohondrije idealno mesto za celično dihanje.

Tu lahko izveste vse o temi dihalne verige

Energetska bilanca

Energetsko ravnovesje celičnega dihanja v primeru glukoze je mogoče povzeti na naslednji način z nastankom 32 molekul ATP na glukozo:

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

(Zaradi jasnosti sta ADP in fosfatni ostanek Pi izpuščena)

V anaerobnih pogojih, to je pomanjkanju kisika, cikel citronske kisline ne more teči in energijo je mogoče dobiti le z aerobno glikolizo:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP postaneta 2 laktat + 2 ATP. + 2 H2O. Torej le približno 6% deleža dobimo na molekulo glukoze, kot bi bilo to pri aerobni glikolizi.

Bolezni, povezane s celičnim dihanjem

The Celično dihanje je bistveno za preživetjet.j. da je veliko mutacij v genih, odgovornih za beljakovine celičnega dihanja, npr. Encimi glikolize, kodiranja, smrtonosni (usodno) so. Vendar se pojavijo genetske bolezni celičnega dihanja. Te lahko izvirajo iz jedrske DNK ali iz mitohondrijske DNK. Mitohondriji sami vsebujejo lasten genetski material, ki je potreben za celično dihanje. Vendar imajo te bolezni podobne simptome, saj imajo vse skupaj eno stvar: posežejo v celično dihanje in ga motijo.

Celične bolezni dihal pogosto kažejo podobne klinične simptome. Tu je še posebej pomembno Motnje v tkivih, ki potrebujejo veliko energije. Sem spadajo zlasti celice živcev, mišic, srca, ledvic in jeter. Simptomi, kot so oslabelost mišic ali znaki poškodbe možganov, se pogosto pojavijo že v mladosti, če ne že ob rojstvu. Govori tudi izrazito Laktacidoza (Prekomerno zakisanost telesa z laktatom, ki se nabira, ker piruvata v ciklu citronske kisline ni mogoče dovolj razgraditi). Notranji organi lahko tudi pokvarijo.

Diagnozo in zdravljenje bolezni celičnega dihanja morajo izvajati specialisti, saj je klinična slika lahko zelo raznolika in različna. Od danes je še vedno ni vzročne in kurativne terapije daje. Bolezni je mogoče zdraviti le simptomatsko.

Ker se mitohondrijska DNK prenaša z matere na otroke na zelo zapleten način, se morajo ženske, ki trpijo zaradi bolezni celičnega dihanja, obrniti na specialista, če želijo imeti otroke, saj le tako lahko ocenijo verjetnost dedovanja.