Celično dihanje pri ljudeh

opredelitev

Dihanje celic, imenovano tudi aerobno (iz starogrškega "aer" - zrak), opisuje razgradnjo hranil, kot so glukoza ali maščobne kisline, pri ljudeh z uporabo kisika (O2) za pridobivanje energije, ki je potrebna za preživetje celic. V tem procesu se hranila oksidirajo, torej oddajajo elektrone, medtem ko se kisik zmanjša, kar pomeni, da sprejema elektrone. Končna proizvoda, ki nastaneta iz kisika in hranil, sta ogljikov dioksid (CO2) in voda (H2O).

Delovanje in naloge celičnega dihanja

Vsi procesi v človeškem telesu zahtevajo energijo. Vadba, delovanje možganov, utrip srca, izločanje sline ali las in celo prebava zahtevajo energijo za delovanje.

Poleg tega telo za preživetje potrebuje kisik. Tu je še posebej pomembno celično dihanje. S pomočjo tega in plinastega kisika lahko telo gori energijsko bogate snovi in ​​iz njih pridobi potrebno energijo. Kisik nam sicer ne zagotavlja energije, je pa potreben za izvajanje kemičnih procesov zgorevanja v telesu in je zato bistven za naše preživetje.

Telo pozna veliko različnih vrst nosilcev energije:

• Glukoza (sladkor) je glavni nosilec energije in osnovni gradnik, pa tudi končni izdelek, razdeljen iz vseh škrobnih živil
• Maščobne kisline in glicerin so končni produkti razgradnje maščob in se lahko uporabljajo tudi pri proizvodnji energije
• Zadnja skupina nosilcev energije so aminokisline, ki ostanejo kot produkt razgradnje beljakovin. Po določeni preobrazbi v telesu jih lahko nato uporabimo tudi pri dihanju celic in s tem za pridobivanje energije

Več o tem preberite pod Vadba in izgorevanje maščob

Najpogostejši vir energije, ki ga uporablja človeško telo, je glukoza. Obstaja veriga reakcij, ki s porabo kisika na koncu privede do produktov CO2 in H2O. Ta postopek vključuje Glikoliza, torej Razdelitev 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. Imenuje se postopek, pri 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 viri dovajajo v energetsko presnovo. Cikel poteka v Mitohondrije namesto tega "energetske elektrarne" človeških celic.

Med vsemi temi procesi se porabi nekaj energije v obliki ATP, vendar je že bila pridobljena, tako kot na primer pri glikolizi. Poleg tega obstajajo pretežno druge zaloge vmesne energije (npr. NADH, FADH2), ki svojo funkcijo vmesnih zalog energije izpolnjujejo le med proizvodnjo energije. Te molekule za vmesno shranjevanje se nato pretakajo v zadnji korak celičnega dihanja, in sicer v korak oksidativne fosforilacije, znan tudi kot dihalna veriga. To je korak, k kateremu so doslej delovali vsi procesi. Dihalna veriga, ki poteka tudi v mitohondrijih, je sestavljena tudi iz več korakov, v katerih nato iz energijsko bogatih vmesnih skladiščnih molekul pridobijo univerzalni nosilec energije ATP. Razgradnja ene molekule glukoze povzroči skupno 32 molekul ATP.

Za tiste, ki jih še posebej zanima

Dihalna veriga vsebuje različne beljakovinske komplekse, ki imajo tukaj zelo zanimivo vlogo. Delujejo kot črpalke, ki črpajo protone (ioni H +) v votlino dvojne membrane mitohondrija, medtem ko porabljajo molekule vmesnega skladiščenja, tako da je tam visoka koncentracija protonov. To povzroči koncentracijski gradient med medmembranskim prostorom in mitohondrijskim matriksom. S pomočjo tega gradienta navsezadnje obstaja beljakovinska molekula, ki deluje podobno kot vrsta vodne turbine. Zaradi tega gradienta v protonih protein sintetizira molekulo ATP iz ADP in fosfatne skupine.

Več informacij najdete tukaj: Kaj je dihalna veriga?

ATP

The Adenozin trifosfat (ATP) je nosilec energije človeškega telesa. Vsa energija, ki nastane pri celičnem dihanju, je sprva shranjena 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 energija se sprosti. Dihanje celic ali pridobivanje energije je namenjeno nenehni regeneraciji ATP iz tako imenovanega ADP, da ga telo lahko ponovno uporabi.

Reakcijska enačba

Ker so maščobne kisline različno dolge in imajo tudi aminokisline zelo različno strukturo, za ti dve skupini ni mogoče določiti preproste enačbe, ki bi natančno opredelila donos njihove energije v celičnem dihanju. Ker vsaka strukturna sprememba lahko določi, v katerem koraku citratnega cikla teče aminokislina.
Razgradnja maščobnih kislin v tako imenovani beta oksidaciji je odvisna od njihove dolžine. Daljše kot so maščobne kisline, več energije lahko pridobimo z njimi. Ta se razlikuje med nasičenimi in nenasičenimi maščobnimi kislinami, nenasičene maščobne kisline pa zagotavljajo minimalno manj energije, če imajo enako količino.

Iz že omenjenih razlogov je enačbo za razgradnjo glukoze najbolje opisati. Molekula glukoze (C6H12O6) in 6 molekul kisika (O2) povzroči skupno 6 molekul ogljikovega dioksida (CO2) in 6 molekul vode (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 postane 6 CO2 + 6 H2O

Kaj je glikoliza?

Glikoliza opisuje razgradnjo glukoze, torej grozdnega sladkorja. Ta presnovna pot poteka tako v človeških celicah kot v drugih, npr.kvas med fermentacijo. Mesto, kjer celice izvajajo glikolizo, je v citoplazmi. Tu so prisotni encimi, ki pospešujejo reakcije glikolize, tako da neposredno sintetizirajo ATP in zagotavljajo substrate za ciklus citronske kisline. Ta postopek ustvarja energijo v obliki dveh molekul ATP in dveh molekul NADH + H +. Glikoliza skupaj s ciklusom citronske kisline in dihalno verigo, ki se nahajata v mitohondriju, predstavlja pot razgradnje enostavne sladkorne glukoze do univerzalnega energetskega nosilca ATP. . Končni produkt glikolize je piruvat, ki ga lahko nato v vmesnem koraku vnesemo v ciklus citronske kisline.

Za izvedbo reakcij skupaj uporabimo 2 ATP na molekulo glukoze pri glikolizi. Dobimo pa 4 ATP, tako da imamo dejansko neto dobiček 2 molekuli ATP.

Glikoliza v desetih reakcijskih korakih, dokler se sladkor s 6 atomi ogljika ne spremeni v dve molekuli piruvata, od katerih je vsaka sestavljena iz treh atomov ogljika. V prvih štirih reakcijskih korakih se sladkor s pomočjo dveh fosfatov in prerazporeditvijo pretvori v fruktozo-1,6-bisfosfat. Ta aktivirani sladkor je zdaj razdeljen na dve molekuli s po tremi atomi ogljika. Nadaljnja preureditev in odstranitev dveh fosfatnih skupin na koncu privedeta do dveh piruvatov. 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 majhen donos energije. Vendar pa postavlja temelje za nadaljnjo razgradnjo sladkorja in je zato bistvenega pomena za tvorbo ATP v celičnem dihanju.

Na tej točki je smiselno ločiti aerobno in anaerobno glikolizo. Aerobna glikoliza vodi do zgoraj opisanega piruvata, ki ga nato lahko uporabimo za pridobivanje energije.
Nasprotno pa anaerobna glikoliza, ki poteka v pogojih pomanjkanja kisika, piruvata ni več mogoče uporabiti, ker cikel citronske kisline zahteva kisik. V kontekstu glikolize nastane tudi vmesna molekula za shranjevanje NADH, ki je sama bogata z energijo in bi se v aerobnih pogojih pretakala tudi v Krebsov cikel. Vendar je matična molekula NAD + potrebna za vzdrževanje glikolize. Zato telo tukaj "ugrizne" kislo jabolko in pretvori to visokoenergijsko molekulo nazaj v prvotno obliko. Za izvedbo reakcije se uporablja piruvat. Tako imenovani laktat ali mlečna kislina nastane iz piruvata.

Več o tem preberite pod

• Laktat
• Anaerobni prag

Kaj je dihalna veriga?

Dihalna veriga je zadnji del poti razgradnje glukoze. Po presnovi sladkorja v glikolizi in ciklusu citronske kisline ima dihalna veriga funkcijo regeneracije ekvivalentov redukcije (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 mitohondrijih, ki jih zato imenujejo tudi "elektrarne v celici". Dihalna veriga je sestavljena iz petih encimskih kompleksov, ki so vgrajeni v notranjo mitohondrijsko membrano. Prva dva encimska kompleksa regenerirata NADH + H + (ali FADH2) do NAD + (ali FAD). Med oksidacijo NADH + H + se štirje protoni prenesejo iz matričnega prostora v medmembranski prostor. Dva protona črpamo tudi v medmembranski prostor v vsakem od naslednjih treh encimskih kompleksov. To ustvari gradient koncentracije, ki se uporablja za tvorbo ATP. V ta namen protoni tečejo iz medmembranskega prostora skozi ATP sintazo nazaj v matrični prostor. Sproščena energija se porabi za dokončno tvorbo ATP iz ADP (adenozin difosfat) in fosfata. Druga naloga dihalne verige je prestrezanje elektronov, ki nastanejo z oksidacijo redukcijskih ekvivalentov. To se naredi s prenosom elektronov v kisik. Z združevanjem elektronov, protonov in kisika nastane normalna voda v četrtem encimskem kompleksu (citokrom c oksidaza). To tudi pojasnjuje, zakaj dihalna veriga lahko poteka le, če je dovolj kisika.

Kakšne so naloge mitohondrijev pri dihanju celic?

Mitohondriji so organele, ki jih najdemo le v evkariontskih celicah. Omenjamo jih tudi kot "elektrarne na celico", saj v njih poteka celično dihanje. Končni produkt celičnega dihanja je ATP (adenozin trifosfat). To je univerzalni nosilec energije, ki je potreben v celotnem človeškem organizmu. Kompartmentalizacija mitohondrijev je predpogoj za dihanje celic. To pomeni, da so v mitohondriji ločeni reakcijski prostori. To dosežemo z notranjo in zunanjo membrano, tako da obstajata medmembranski prostor in notranji matrični prostor.

Med dihalno verigo se protoni (vodikovi ioni, H +) prenašajo v medmembranski prostor, tako da nastane razlika v koncentraciji protonov. Ti protoni prihajajo iz različnih ekvivalentov redukcije, kot sta NADH + H + in FADH2, ki se s tem regenerirata v NAD + in FAD.

ATP sintaza je zadnji encim v dihalni verigi, kjer na koncu nastane ATP. Zaradi razlike v koncentraciji protoni tečejo iz medmembranskega prostora skozi ATP-sintazo v matrični prostor. 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 v mitohondriji potekajo številne presnovne poti (glikoliza, ciklus citronske kisline), ki zagotavljajo vhodne snovi (NADH + H +, FADH2) za dihalno verigo. Ta prostorska bližina je še ena prednost in mitohondrije naredi idealno mesto za dihanje celic.

Tu lahko izveste vse o temi dihalne verige

Energijska bilanca

Energijsko ravnovesje celičnega dihanja v primeru glukoze lahko povzamemo na naslednji način, pri čemer nastane 32 molekul ATP na glukozo:

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

(Zaradi jasnosti sta ADP in fosfatni ostanek Pi izpuščena iz izobraževanja)

V anaerobnih pogojih, to je pomanjkanju kisika, ciklus citronske kisline ne more teči in energijo lahko dobimo le z aerobno glikolizo:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP postaneta 2 laktata + 2 ATP. + 2 H2O. Tako dobimo le približno 6% deleža na molekulo glukoze, kot bi bilo v primeru aerobne glikolize.

Bolezni, povezane s celičnim dihanjem

The Celično dihanje je bistvenega pomena za preživetje, tj. da so številne mutacije v genih, ki kodirajo beljakovine celičnega dihanja, npr. encimi glikolize, smrtne (usodna) so. Vendar se pojavijo genetske bolezni celičnega dihanja. Ti lahko izvirajo iz jedrske DNA, pa tudi iz mitohondrijske DNA. Mitohondriji sami vsebujejo svoj genski material, ki je potreben za dihanje celic. Vendar imajo te bolezni podobne simptome, saj jim je skupno vse: posegajo 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 živčne, mišične, srčne, ledvične in jetrne celice. Simptomi, kot so mišična oslabelost ali znaki poškodbe možganov, se pogosto pojavijo tudi v mladosti, če ne že ob rojstvu. Govori tudi izrazito Laktacidoza (Prekomerno zakisljevanje telesa z laktatom, ki se kopiči, ker se piruvat v ciklu citronske kisline ne more dovolj razgraditi). Prav tako lahko pride do okvare notranjih organov.

Diagnozo in terapijo bolezni celičnega dihanja bi morali prevzeti strokovnjaki, saj se klinična slika lahko izkaže za zelo raznoliko in drugačno. Od danes je še vedno brez 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 za boleznijo celičnega dihanja, obrniti na strokovnjaka, če želijo imeti otroke, saj le oni lahko ocenijo verjetnost dedovanja.