Cellular respiration hos mennesker

definition

Celleånding, også kaldet aerob (fra antikgræsk "aer" - luft), beskriver nedbrydningen af ​​næringsstoffer såsom glukose eller fedtsyrer hos mennesker, der bruger ilt (O2) til at generere energi, hvilket er nødvendigt for cellernes overlevelse. I processen oxideres næringsstofferne, dvs. de afgiver elektroner, mens ilt reduceres, hvilket betyder, at det accepterer elektroner. Slutprodukterne, der stammer fra ilt og næringsstoffer, er kuldioxid (CO2) og vand (H2O).

Funktion og opgaver ved cellulær respiration

Alle processer i den menneskelige krop kræver energi. Motion, hjernefunktion, hjerterytme, spyt eller hårfremstilling og endda fordøjelse kræver alt sammen energi for at fungere.

Derudover har kroppen brug for ilt for at overleve. Cellular respiration er her særlig vigtig. Ved hjælp af dette og gasens ilt er det muligt for kroppen at forbrænde energirige stoffer og få den krævede energi fra dem. Oxygen i sig selv forsyner os ikke med nogen energi, men det er nødvendigt for at udføre de kemiske forbrændingsprocesser i kroppen og er derfor afgørende for vores overlevelse.

Kroppen kender mange forskellige typer energibærere:

• Glukose (sukker) er den vigtigste energibærer og grundlæggende byggesten samt slutproduktet opdelt fra alle stivelsesholdige fødevarer
• Fedtsyrer og glycerin er slutprodukterne ved nedbrydning af fedt og kan også bruges til energiproduktion
• Den sidste gruppe energibærere er aminosyrerne, som er tilbage som et produkt af proteinnedbrydning. Efter en vis transformation i kroppen kan disse også bruges i celleåndedræt og dermed til energiproduktion

Læs mere om dette under Motion og fedtforbrænding

Den mest almindelige energikilde, som menneskekroppen bruger, er glukose. Der er en kæde af reaktioner, der i sidste ende fører til produkterne CO2 og H2O med forbrug af ilt. Denne proces inkluderer Glykolyse, så Opdeling af glukose og overførsel af produktet, Pyruvat via mellemtrinnet i Acetyl-CoA i Citronsyrecyklus (Synonym: citronsyrecyklus eller Krebs-cyklus). Nedbrydningsprodukterne af andre næringsstoffer såsom aminosyrer eller fedtsyrer strømmer også ind i denne cyklus. Den proces, hvor fedtsyrerne "nedbrydes", så de også kan strømme ind i citronsyrecyklussen kaldes Beta-oxidation.

Citronsyrecyklussen er derfor en slags indløbspunkt, hvor alle energikilder kan føres ind i energimetabolismen. Cyklussen finder sted i Mitokondrier i stedet for "energikraftværker" af humane celler.

Under alle disse processer forbruges noget energi i form af ATP, men det er allerede opnået, som det f.eks. Er tilfældet i glykolyse. Derudover er der overvejende andre mellemliggende energilagre (f.eks. NADH, FADH2), der kun udfører deres funktion som mellemliggende energilagre under energiproduktion. Disse mellemliggende opbevaringsmolekyler flyder derefter ind i det sidste trin i celle respiration, nemlig trinnet med oxidativ phosphorylering, også kendt som respirationskæden. Dette er det skridt, som alle processer hidtil har fungeret. Åndedrætskæden, som også finder sted i mitokondrierne, består også af flere trin, hvor den alsidige energibærer ATP derefter opnås fra de energirige mellemlagringsmolekyler. I alt resulterer nedbrydningen af ​​et glukosemolekyle i alt 32 ATP-molekyler.

For de særligt interesserede

Åndedrætskæden indeholder forskellige proteinkomplekser, der spiller en meget interessant rolle her. De fungerer som pumper, der pumper protoner (H + -ioner) ind i mitokondrie-dobbeltmembranens hulrum, mens de forbruger de mellemliggende lagringsmolekyler, så der er en høj koncentration af protoner der. Dette forårsager en koncentrationsgradient mellem det intermembrane rum og den mitokondrie matrix. Ved hjælp af denne gradient er der i sidste ende et proteinmolekyle, der fungerer på samme måde som en type vandturbine. Drevet af denne gradient i protoner syntetiserer proteinet et ATP-molekyle fra en ADP og en phosphatgruppe.

Du kan finde mere information her: Hvad er åndedrætskæden?

ATP

Det Adenosintrifosfat (ATP) er den menneskelige krops energibærer. Al den energi, der opstår ved cellulær respiration, lagres oprindeligt i form af ATP. Kroppen kan kun bruge energien, hvis den er i form af ATP-molekylet.

Hvis ATP-molekylets energi er opbrugt, dannes adenosindiphosphat (ADP) fra ATP, hvorved en phosphatgruppe i molekylet skilles fra og energi frigives. Celleåndedræt eller energiproduktion tjener formålet med kontinuerlig regenerering af ATP fra den såkaldte ADP, så kroppen kan bruge det igen.

Reaktionsligning

På grund af det faktum, at fedtsyrer har forskellige længder, og at aminosyrer også har meget forskellige strukturer, er det ikke muligt at oprette en simpel ligning for disse to grupper for nøjagtigt at karakterisere deres energiudbytte i cellulær respiration. Fordi enhver strukturændring kan bestemme i hvilket trin af citratcyklussen aminosyren strømmer.
Nedbrydningen af ​​fedtsyrer i den såkaldte beta-oxidation afhænger af deres længde. Jo længere fedtsyrerne er, jo mere energi kan der opnås fra dem. Dette varierer mellem mættede og umættede fedtsyrer, hvor umættede fedtsyrer giver mindst mulig energi, forudsat at de har den samme mængde.

Af de allerede nævnte grunde kan en ligning bedst beskrives for nedbrydning af glukose. Et glukosemolekyle (C6H12O6) og 6 iltmolekyler (O2) resulterer i i alt 6 kuldioxidmolekyler (CO2) og 6 vandmolekyler (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 bliver 6 CO2 + 6 H2O

Hvad er glykolyse?

Glykolyse beskriver nedbrydningen af ​​glukose, dvs. druesukker. Denne metaboliske vej finder sted i humane celler såvel som i andre, fx gær under gæring. Det sted, hvor cellerne udfører glykolyse, er i cytoplasmaet. Her er enzymer til stede, der fremskynder glykolysereaktionerne for både at syntetisere ATP direkte og tilvejebringe substraterne til citronsyrecyklussen. Denne proces skaber energi i form af to ATP-molekyler og to NADH + H + -molekyler. Glykolyse, sammen med citronsyrecyklus og åndedrætskæden, som begge er placeret i mitokondrionen, repræsenterer nedbrydningsvejen for den enkle sukkerglukose til den universelle energibærer ATP. Glykolyse finder sted i cytosolen i alle dyre- og planteceller . Slutproduktet af glykolyse er pyruvat, som derefter kan indføres i citronsyrecyklussen via et mellemliggende trin.

I alt anvendes 2 ATP pr. Glukosemolekyle i glykolyse for at være i stand til at udføre reaktionerne. Imidlertid opnås 4 ATP, således at der effektivt er en nettogevinst på 2 ATP-molekyler.

Glykolyse ti reaktionstrin, indtil et sukker med 6 carbonatomer bliver til to pyruvatmolekyler, der hver består af tre carbonatomer. I de første fire reaktionstrin omdannes sukkeret til fruktose-1,6-bisphosphat ved hjælp af to fosfater og en omlægning. Dette aktiverede sukker er nu opdelt i to molekyler med hver tre carbonatomer. Yderligere omlejringer og fjernelse af de to fosfatgrupper resulterer i sidste ende i to pyruvater. Hvis ilt (O2) nu er tilgængeligt, kan pyruvat metaboliseres yderligere til acetyl-CoA og indføres i citronsyrecyklussen. Samlet set har glykolyse med to ATP-molekyler og to NADH + H-molekyler et relativt lavt energiudbytte. Det lægger dog grundlaget for den yderligere nedbrydning af sukker og er derfor vigtigt for produktionen af ​​ATP i celleåndedræt.

På dette tidspunkt giver det mening at adskille aerob og anaerob glykolyse. Aerob glykolyse fører til det ovenfor beskrevne pyruvat, som derefter kan bruges til at generere energi.
I modsætning hertil kan den anaerobe glykolyse, der finder sted under betingelser med iltmangel, pyruvat ikke længere bruges, fordi citronsyrecyklussen kræver ilt. I forbindelse med glykolyse oprettes også mellemlagringsmolekylet NADH, som i sig selv er rig på energi og også flyder ind i Krebs-cyklussen under aerobe forhold. Forældermolekylet NAD + er imidlertid nødvendigt for at opretholde glykolyse. Dette er grunden til, at kroppen "bider" det "sure æble" her og omdanner dette højenergimolekyle tilbage til sin oprindelige form. Pyruvat anvendes til at udføre reaktionen. Den såkaldte lactat eller mælkesyre dannes ud fra pyruvat.

Læs mere om dette under

• Laktat
• Anaerob tærskel

Hvad er åndedrætskæden?

Åndedrætskæden er den sidste del af glukosens nedbrydningsvej. Efter at sukkeret er blevet metaboliseret i glykolysen og citronsyrecyklussen, har åndedrætskæden den funktion at regenerere de reduktionsækvivalenter (NADH + H + og FADH2), der oprettes. Dette skaber den universelle energibærer ATP (adenosintrifosfat). Ligesom citronsyrecyklussen er åndedrætskæden placeret i mitokondrierne, som derfor også omtales som "cellens kraftværker". Åndedrætskæden består af fem enzymkomplekser, der er indlejret i den indre mitokondriemembran. De første to enzymkomplekser regenererer hver især NADH + H + (eller FADH2) til NAD + (eller FAD). Under oxidationen af ​​NADH + H + transporteres fire protoner fra matrixrummet ind i mellemrummet. To protoner pumpes også ind i mellemrummet i hvert af de følgende tre enzymkomplekser. Dette skaber en koncentrationsgradient, der bruges til at producere ATP. Til dette formål strømmer protoner fra det intermembrane rum gennem en ATP-syntase tilbage i matrixrummet. Den frigivne energi bruges til endelig at producere ATP fra ADP (adenosindiphosphat) og fosfat. En anden opgave for åndedrætskæden er at opfange de elektroner, der genereres af oxidationen af ​​reduktionsækvivalenterne. Dette gøres ved at overføre elektronerne til ilt. Ved at samle elektroner, protoner og ilt dannes normalt vand i det fjerde enzymkompleks (cytochrom c oxidase). Dette forklarer også, hvorfor åndedrætskæden kun kan finde sted, når der er nok ilt.

Hvad er mitokondriernes opgaver i celleånding?

Mitokondrierne er organeller, der kun findes i eukaryote celler. De omtales også som "celleens kraftværker", da det er i dem, at celleånding finder sted. Slutproduktet af cellulær respiration er ATP (adenosintrifosfat). Dette er en universel energibærer, der kræves i hele den menneskelige organisme. Kompartmentalisering af mitokondrier er en forudsætning for celleånding. Dette betyder, at der er separate reaktionsrum i mitokondrionen. Dette opnås ved hjælp af en indre og ydre membran, så der er et mellemrum og et indre matrixrum.

I løbet af åndedrætskæden transporteres protoner (hydrogenioner, H +) ind i mellemrummet, så der opstår en forskel i protonkoncentration. Disse protoner kommer fra forskellige reduktionsækvivalenter, såsom NADH + H + og FADH2, som derved regenereres til NAD + og FAD.

ATP-syntase er det sidste enzym i åndedrætskæden, hvor ATP i sidste ende produceres. Drevet af forskellen i koncentration strømmer protonerne fra det intermembrane rum gennem ATP-syntase ind i matrixrummet. Denne strøm af positiv ladning frigiver energi, der bruges til at producere ATP fra ADP (adenosindiphosphat) og fosfat. Mitokondrierne er særligt velegnede til åndedrætskæden, da de har to reaktionsrum på grund af den dobbelte membran. Derudover finder mange metaboliske veje (glykolyse, citronsyrecyklus), som tilvejebringer udgangsmaterialerne (NADH + H +, FADH2) til luftvejskæden, sted i mitokondrionen. Denne geografiske nærhed er en anden fordel og gør mitokondrierne til det ideelle sted for celleånding.

Her kan du finde ud af alt om emnet for luftvejskæden

Energibalance

Energibalancen for celleånding i tilfælde af glukose kan sammenfattes som følger med dannelsen af ​​32 ATP-molekyler pr. Glukose:

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

(Af hensyn til klarheden er ADP og fosfatresten Pi blevet udeladt fra lærerne)

Under anaerobe forhold, dvs. mangel på ilt, kan citronsyrecyklussen ikke køre, og energi kan kun opnås gennem aerob glykolyse:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP bliver 2 lactat + 2 ATP. + 2 H2O. Så kun ca. 6% af andelen opnås pr. Glukosemolekyle, som det ville være tilfældet med aerob glykolyse.

Sygdomme relateret til cellulær respiration

Det Cellular respiration er afgørende for overlevelse, dvs. at mange mutationer i generne, der koder for proteinerne fra celle respiration, fx enzymer til glykolyse, er dødelige (fatal) er. Imidlertid forekommer genetiske sygdomme i cellulær respiration. Disse kan stamme fra nukleart DNA såvel som fra mitokondrie-DNA. Mitokondrierne selv indeholder deres eget genetiske materiale, som er nødvendigt for celleåndedræt. Disse sygdomme viser imidlertid lignende symptomer, da de alle har en ting til fælles: de griber ind i cellulær respiration og forstyrrer den.

Cellular respiratoriske sygdomme viser ofte lignende kliniske symptomer. Det er især vigtigt her Forstyrrelser i væv, som har brug for en masse energi. Disse inkluderer især nerve-, muskel-, hjerte-, nyre- og leverceller. Symptomer som muskelsvaghed eller tegn på hjerneskade forekommer ofte selv i en ung alder, hvis ikke på tidspunktet for fødslen. Taler også en udtalt Laktatacidose (En overforsuring af kroppen med lactat, som akkumuleres, fordi pyruvat ikke kan nedbrydes tilstrækkeligt i citronsyrecyklussen). Indvendige organer kan også fungere forkert.

Diagnosen og behandlingen af ​​sygdomme i den cellulære respiration skal overtages af specialister, da det kliniske billede kan vise sig meget forskelligt og anderledes. Fra i dag er det stadig ingen kausal og helbredende terapi giver. Sygdommene kan kun behandles symptomatisk.

Da mitokondrie-DNA overføres fra mor til børn på en meget kompliceret måde, bør kvinder, der lider af en sygdom i cellulær respiration, kontakte en specialist, hvis de vil have børn, da kun de kan estimere sandsynligheden for arv.