Cellulær åndedræt hos mennesker

definition

Celle respiration, også kaldet aerob (fra oldgræsk "aer" - luft), beskriver nedbrydningen af ​​næringsstoffer såsom glukose eller fedtsyrer hos mennesker, der bruger ilt (O2) til at generere energi, hvilket er nødvendigt for overlevelse af celler. Næringsstofferne oxideres, dvs. de afgiver elektroner, når 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. Træning, hjernefunktion, banket i hjertet, spyt eller hårfremstilling og endda fordøjelse kræver alle energi for at fungere.

Derudover har kroppen brug for ilt for at overleve. Cellular respiration er af særlig betydning her. Ved hjælp af dette og gasens ilt er det muligt for kroppen at forbrænde energirige stoffer og få den nødvendige 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 vigtig for vores overlevelse.

Kroppen kender mange forskellige typer energibærere:

• Glukose (sukker) er den vigtigste energikilde og basale byggesten samt slutproduktet opdelt fra alle stivelsesholdige fødevarer
• Fedtsyrer og glycerol er slutprodukterne ved nedbrydning af fedt og kan også bruges til energiproduktion
• Den sidste gruppe af energikilder er de aminosyrer, der er tilbage som et produkt af proteinnedbrydning. Efter en vis transformation i kroppen, kan disse også bruges til celleånding og dermed til energiproduktion

Læs mere om dette under Træning og fedtforbrænding

Den mest almindelige energikilde, der bruges af den menneskelige krop, 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 glycolysis, så Opdeling af glukose og overførslen af ​​produktet, pyruvat via mellemtrinnet i Acetyl-CoA i Citronsyrecyklus (Synonym: citronsyrecyklus eller Krebs-cyklus). Nedbrydningsprodukter 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 citronsyrecyklus, kaldes Beta-oxidation.

Citronsyrecyklus er derfor et slags indløbspunkt, hvor alle energibærere kan ledes ind i energimetabolismen. Cyklussen finder sted i Mitokondrier i stedet for "energikraftværker" i menneskelige celler.

Under alle disse processer forbruges en del energi i form af ATP, men den opnås allerede, som det f.eks. Er tilfældet i glykolyse. Derudover er der overvejende andre mellemliggende energilagre (f.eks. NADH, FADH2), der kun opfylder deres funktion som mellemliggende energilagre under energiproduktion. Disse mellemliggende opbevaringsmolekyler strømmer derefter ind i det sidste trin i celle respiration, nemlig trinnet med oxidativ phosphorylering, også kendt som respiratorisk kæde. Dette er det trin, som alle processer har fungeret indtil videre. Den respiratoriske kæde, der også finder sted i mitokondrierne, består også af adskillige trin, hvor de energirige mellemlagringsmolekyler derefter bruges til at udtrække det all-purpose energibærer ATP. I alt resulterer nedbrydningen af ​​et glukosemolekyle i i alt 32 ATP-molekyler.

For de særligt interesserede

Den respiratoriske kæde indeholder forskellige proteinkomplekser, der spiller en meget interessant rolle her. De fungerer som pumper, der pumper protoner (H + -ioner) ind i hulrummet i den mitokondriske dobbeltmembran, mens de forbruger mellemlagringsmolekylerne, så der er en høj koncentration af protoner der. Dette bevirker en koncentrationsgradient mellem intermembranrummet og den mitokondriske matrix. Ved hjælp af denne gradient er der i sidste ende et proteinmolekyle, der fungerer på lignende måde som en type vandturbin. 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 luftvejskæden?

ATP

Det Adenosintrifosfat (ATP) er energibæreren i den menneskelige krop. Al 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 energien fra ATP-molekylet bruges op, dannes adenosindiphosphat (ADP) fra ATP, hvorved en fosfatgruppe i molekylet opdeles og energi frigives. Cellulær åndedræt eller energiproduktion tjener formålet med kontinuerligt at regenerere ATP fra den såkaldte ADP, så kroppen kan bruge den 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 til præcist at karakterisere deres energiudbytte ved cellulær respiration. Fordi hver strukturændring kan bestemme i hvilket trin i citratcyklussen aminosyren flyder.
Nedbrydningen af ​​fedtsyrer i den såkaldte beta-oxidation afhænger af deres længde. Jo længere fedtsyrerne er, jo mere energi kan man få fra dem. Dette varierer mellem mættede og umættede fedtsyrer, hvor umættede indeholder minimalt mindre energi, forudsat at de har den samme mængde.

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

• C6H12O6 + 6 O2 bliver 6 CO2 + 6 H2O

Hvad er glycolyse?

Glykolyse beskriver nedbrydningen af ​​glukose, dvs. druesukker. Denne metaboliske vej finder sted i humane celler såvel som i andre, f.eks. i tilfælde af gær under gæring. Det sted, hvor celler udfører glykolyse, er i cytoplasmaet. Her er der enzymer, der accelererer glykolysereaktionerne for både at syntetisere ATP direkte og tilvejebringe underlagene til citronsyrecyklussen. Denne proces skaber energi i form af to molekyler af ATP og to molekyler af NADH + H +. Glykolyse sammen med citronsyrecyklus og åndedræts-kæden, som begge er placeret i mitochondrion, repræsenterer nedbrydningen af ​​den enkle sukkerglukose til den universelle energibærer ATP. Glykolyse finder sted i cytosol fra alle dyre- og planteceller.Slutproduktet af glykolyse er pyruvat, som derefter kan indføres i citronsyrecyklussen via et mellemtrin.

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

Glykolyse af ti reaktionstrin, indtil et sukker med 6 carbonatomer bliver til to molekyler af pyruvat, der hver består af tre carbonatomer. I de første fire reaktionstrin omdannes sukkeret til fructose-1,6-bisphosphat ved hjælp af to fosfater og en omarrangement. Dette aktiverede sukker er nu opdelt i to molekyler med tre carbonatomer hver. Yderligere omarrangementer og fjernelse af de to phosphatgrupper resulterer i sidste ende i to pyruvater. Hvis der nu er oxygen (O2) tilgængelig, kan pyruvatet metaboliseres yderligere til acetyl-CoA og introduceres i citronsyrecyklus. Generelt har glykolyse med 2 molekyler ATP og to molekyler af NADH + H + et relativt lavt energiudbytte. Imidlertid lægger det grundlaget for den yderligere nedbrydning af sukker og er derfor essentiel for produktionen af ​​ATP i celleånding.

På dette tidspunkt giver det mening at adskille aerob og anaerob glycolyse. Aerob glycolyse fører til pyruvat beskrevet ovenfor, som derefter kan bruges til at generere energi.
Den anaerobe glykolyse, derimod, der finder sted under betingelser med iltmangel, kan pyruvat ikke længere anvendes, da citronsyrecyklussen kræver ilt. I forbindelse med glykolyse oprettes også mellemlagringsmolekylet NADH, som i sig selv er energirigt og også vil flyde ind i Krebs-cyklussen under aerobe forhold. Modermolekylet 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 bruges til at udføre reaktionen. Den såkaldte lactat eller mælkesyre dannes fra pyruvat.

Læs mere om dette under

• Laktat
• Anaerob tærskel

Hvad er luftvejskæden?

Luftvejskæden er den sidste del af glukose nedbrydningsvejen. Efter at sukkeret er blevet metaboliseret i glycolyse- og citronsyrecyklussen, har åndedrætskæden funktionen til at regenerere reduktionsækvivalenterne (NADH + H + og FADH2), der oprettes. Dette skaber den universelle energibærer ATP (adenosintriphosphat). Ligesom citronsyrecyklus er åndedræts-kæden placeret i mitokondrierne, som derfor også benævnes ”cellens kraftværker”. Luftvejskæden består af fem enzymkomplekser, der er indlejret i den indre mitokondrielle membran. De to første enzymkomplekser regenererer hver NADH + H + (eller FADH2) til NAD + (eller FAD). Under oxidationen af ​​NADH + H + transporteres fire protoner fra matrixrummet ind i intermembranrummet. To protoner pumpes også ind i intermembranrummet til de følgende tre enzymkomplekser. Dette skaber en koncentrationsgradient, der bruges til at fremstille ATP. Til dette formål strømmer protoner fra intermembranrummet gennem en ATP-syntase tilbage ind i matrixrummet. Den frigjorte energi bruges til endelig at fremstille ATP fra ADP (adenosindiphosphat) og fosfat. En anden opgave for luftvejskæden er at aflytte de elektroner, der genereres ved oxidation af reduktionsækvivalenter. Dette gøres ved at overføre elektronerne til ilt. Ved at samle elektroner, protoner og ilt dannes normalt vand i det fjerde enzymkompleks (cytochrome c oxidase). Dette forklarer også, hvorfor luftvejskæden kun kan finde sted, når der er nok ilt.

Hvilke opgaver har mitokondrierne i celle respiration?

Mitokondrier er organeller, der kun findes i eukaryote celler. De omtales også som "cellekraftværker", da det er i dem, at celle respiration finder sted. Slutproduktet af cellulær respiration er ATP (adenosintriphosphat). Dette er en universal energibærer, der kræves i hele den menneskelige organisme. Rummet i mitokondrierne er en forudsætning for celleånding. Dette betyder, at der er separate reaktionsrum i mitochondrion. Dette opnås ved en indre og en ydre membran, så der er et intermembranrum og et indre matrixrum.

I løbet af luftvejskæden transporteres protoner (brintioner, H +) ind i intermembranrummet, så der opstår en forskel i koncentration af protoner. 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 luftvejskæden, hvor ATP i sidste ende produceres. Drevet af forskellen i koncentration flyder protonerne fra intermembranrummet gennem ATP-syntasen ind i matrixrummet. Denne strøm af positiv ladning frigiver energi, der bruges til at producere ATP fra ADP (adenosindiphosphat) og fosfat. Mitokondrierne er især egnede til luftvejskæden, da de har to reaktionsrum på grund af dobbeltmembranen. Derudover finder mange metaboliske veje (glykolyse, citronsyrecyklus), der giver udgangsmaterialerne (NADH + H +, FADH2) til respiratorisk kæde, sted i mitochondrion. Denne rumlige nærhed er en anden fordel og gør mitokondrierne det ideelle sted til celle respiration.

Her kan du finde ud af alt om emnet i åndedræts-kæden

Energibalance

Energibalancen i celle respiration i tilfælde af glukose kan opsummeres som følger med dannelse af 32 ATP molekyler pr. Glukose:

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

(For klarhedens skyld er ADP og phosphatresten Pi udeladt fra spidserne)

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 laktat + 2 ATP. + 2 H20. Således opnås kun ca. 6% af andelen pr. Glukosemolekyle, som det ville være tilfældet med aerob glykolyse.

Sygdomme relateret til cellulær respiration

Det Cellulær respiration er essentiel for at overlevedvs. at mange mutationer i generne, der er ansvarlige for proteinerne i celle respiration, f.eks. Enzymer af glykolyse, kodning, dødbringende (fatal) er. Imidlertid forekommer genetiske sygdomme ved celle respiration. Disse kan stamme fra nuklear DNA eller fra mitokondrielt DNA. Selve mitokondrierne indeholder deres eget genetiske materiale, hvilket er nødvendigt for celle respiration. Imidlertid viser disse sygdomme lignende symptomer, da de alle har én ting til fælles: De griber ind i cellulær åndedræt og forstyrrer den.

Cellulære luftvejssygdomme viser ofte lignende kliniske symptomer. Det er især vigtigt her Forstyrrelser i væv, der 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 fødselstidspunktet. Taler også en udtalt Mælkesyre acidose (En overforsuring af kroppen med laktat, som akkumuleres, fordi pyruvat ikke kan nedbrydes tilstrækkeligt i citronsyrecyklus). De indre organer kan også fungere som de skal.

Diagnosen og behandlingen af ​​sygdomme i cellulær respiration bør udføres af specialister, da det kliniske billede kan være meget forskelligt og anderledes. Fra i dag er det stadig ingen kausal og kurativ terapi giver. Sygdommene kan kun behandles symptomatisk.

Da mitokondrielt DNA overføres fra mor til børn på en meget kompliceret måde, bør kvinder, der lider af en sygdom i den cellulære respiration, konsultere en specialist, hvis de ønsker at få børn, da det kun er de, der kan estimere sandsynligheden for arv.