Cellulær respirasjon hos mennesker

definisjon

Celleånding, også kalt aerobic (fra eldgammel gresk "aer" - luft), beskriver nedbrytningen av næringsstoffer som glukose eller fettsyrer hos mennesker mens de konsumerer oksygen (O2) for å generere energi, som er nødvendig for overlevelsen av cellene. Næringsstoffene oksideres, dvs. de gir fra seg elektroner når oksygenet reduseres, noe som betyr at den tar imot elektronene. Sluttproduktene som kommer fra oksygen og næringsstoffer er karbondioksid (CO2) og vann (H2O).

Funksjon og oppgaver for cellulær respirasjon

Alle prosesser i menneskekroppen krever energi. Trening, hjernefunksjon, banking i hjertet, spytt eller hårproduksjon, og til og med fordøyelse krever alt energi for å fungere.

I tillegg trenger kroppen oksygen for å overleve. Cellulær respirasjon er spesielt viktig her. Ved hjelp av dette og gassen oksygen er det mulig for kroppen å forbrenne energirike stoffer og få den nødvendige energien fra dem. Oksygen i seg selv gir oss ingen energi, men det er nødvendig for å utføre de kjemiske forbrenningsprosessene i kroppen og er derfor viktig for å overleve.

Kroppen kjenner mange forskjellige typer energibærere:

• Glukose (sukker) er den viktigste energikilden og den grunnleggende byggesteinen i tillegg til sluttproduktet som er delt fra all stivelsesholdig mat
• Fettsyrer og glyserin er sluttproduktene ved nedbrytning av fett og kan også brukes i energiproduksjon
• Den siste gruppen av energikilder er aminosyrene som er til overs som et produkt av nedbrytning av proteiner. Etter en viss transformasjon i kroppen, kan disse også brukes i celleånding og dermed til energiproduksjon

Les mer om dette under Trening og fettforbrenning

Den vanligste energikilden som brukes av menneskekroppen er glukose. Det er en reaksjonskjede som til slutt fører til produktene CO2 og H2O med forbruk av oksygen. Denne prosessen inkluderer glykolyse, så Splitting av glukose og overføring av produktet, pyruvat via mellomtrinnet til Acetyl-CoA i Sitronsyresyklus (Synonym: sitronsyresyklus eller Krebs-syklus). Nedbrytningsproduktene til andre næringsstoffer som aminosyrer eller fettsyrer strømmer også inn i denne syklusen. Prosessen der fettsyrene "brytes ned" slik at de også kan strømme inn i sitronsyresyklusen kalles Beta-oksidasjon.

Sitronsyresyklusen er derfor et slags innløpspunkt der alle energibærere kan mates inn i energimetabolismen. Syklusen foregår i mitokondrier i stedet "energikraftverkene" til menneskelige celler.

Under alle disse prosessene forbrukes noe energi i form av ATP, men det oppnås allerede, som tilfellet er for eksempel i glykolyse. I tillegg er det overveiende andre mellomliggende energilagre (f.eks. NADH, FADH2) som bare oppfyller sin funksjon som mellomliggende energilagre under energiproduksjon. Disse mellomlagringsmolekylene strømmer deretter inn i det siste trinnet i celle respirasjon, nemlig trinnet med oksidativ fosforylering, også kjent som respirasjonskjeden. Dette er trinnet som alle prosesser har jobbet så langt. Åndedrettskjeden, som også finner sted i mitokondriene, består også av flere trinn der de energirike mellomlagringsmolekylene deretter blir brukt til å trekke ut all-purpose energibæreren ATP. Totalt resulterer nedbrytningen av ett glukosemolekyl i totalt 32 ATP-molekyler.

For de spesielt interesserte

Åndedrettskjeden inneholder forskjellige proteinkomplekser som spiller en veldig interessant rolle her. De fungerer som pumper som pumper protoner (H + -ioner) inn i hulrommet i den mitokondrielle doble membranen mens de konsumerer de mellomliggende lagringsmolekylene, slik at det er en høy konsentrasjon av protoner der. Dette forårsaker en konsentrasjonsgradient mellom intermembranrommet og mitokondriell matrise. Ved hjelp av denne gradienten er det til slutt et proteinmolekyl som fungerer på lignende måte som en type vannturbin. Drevet av denne gradienten i protoner, syntetiserer proteinet et ATP-molekyl fra en ADP og en fosfatgruppe.

Du finner mer informasjon her: Hva er respirasjonskjeden?

ATP

De Adenosintrifosfat (ATP) er energibæreren i menneskekroppen. All energi som oppstår ved cellulær respirasjon lagres opprinnelig i form av ATP. Kroppen kan bare bruke energien hvis den er i form av ATP-molekylet.

Hvis energien til ATP-molekylet blir brukt opp, lages adenosindifosfat (ADP) fra ATP, hvorved en fosfatgruppe av molekylet deles ut og energi frigjøres. Cellulær respirasjon eller energiproduksjon tjener formålet med kontinuerlig å regenerere ATP fra den såkalte ADP slik at kroppen kan bruke den igjen.

Reaksjonsligning

På grunn av det faktum at fettsyrer har forskjellige lengder og at aminosyrer også har veldig forskjellige strukturer, er det ikke mulig å sette opp en enkel ligning for disse to gruppene for å nøyaktig prege deres energiutbytte i cellulær respirasjon. Fordi hver strukturendring kan bestemme i hvilket trinn i sitratsyklus aminosyren flyter.
Nedbrytningen av fettsyrer i den såkalte beta-oksidasjonen avhenger av deres lengde. Jo lengre fettsyrer, jo mer energi kan du få fra dem. Dette varierer mellom mettede og umettede fettsyrer, med umettede som gir minimalt med mindre energi, forutsatt at de har samme mengde.

Av de allerede nevnte grunnene kan en ligning best beskrives for nedbrytning av glukose. Dette skaper totalt 6 karbondioksydmolekyler (CO2) og 6 vannmolekyler (H2O) fra et glukosemolekyl (C6H12O6) og 6 oksygenmolekyler (O2):

• C6H12O6 + 6 O2 blir 6 CO2 + 6 H2O

Hva er glykolyse?

Glykolyse beskriver nedbrytningen av glukose, dvs. druesukker. Denne metabolske veien foregår i menneskelige celler så vel som i andre, f.eks. i tilfelle gjær under gjæring. Stedet der celler utfører glykolyse er i cytoplasma. Her er det enzymer som akselererer glykolysereaksjonene for både å syntetisere ATP direkte og for å tilveiebringe underlagene for sitronsyresyklusen. Denne prosessen skaper energi i form av to molekyler av ATP og to molekyler av NADH + H +. Glykolyse, sammen med sitronsyresyklusen og respirasjonskjeden, som begge er lokalisert i mitokondrion, representerer nedbrytningsveien for den enkle sukkerglukosen til den universelle energibæreren ATP. Glykolyse foregår i cytosolen til alle dyre- og planteceller.Sluttproduktet av glykolyse er pyruvat, som deretter kan innføres i sitronsyresyklusen via et mellomtrinn.

Totalt brukes 2 ATP per glukosemolekyl i glykolyse for å kunne utføre reaksjonene. Imidlertid oppnås 4 ATP slik at det faktisk er en nettogevinst på 2 ATP-molekyler.

Glykolyse av ti reaksjonstrinn til et sukker med 6 karbonatomer blir til to molekyler pyruvat, som hver består av tre karbonatomer. I de første fire reaksjonstrinnene blir sukkeret omdannet til fruktose-1,6-bisfosfat ved hjelp av to fosfater og en omorganisering. Dette aktiverte sukkeret er nå delt opp i to molekyler med tre karbonatomer hver. Ytterligere omorganiseringer og fjerning av de to fosfatgruppene resulterer til slutt i to pyruvater. Hvis oksygen (O2) nå er tilgjengelig, kan pyruvatet metaboliseres videre til acetyl-CoA og føres inn i sitronsyresyklusen. Totalt sett har glykolyse med 2 molekyler ATP og to molekyler NADH + H + relativt lavt energiutbytte. Imidlertid legger det grunnlaget for den videre nedbrytningen av sukker og er derfor avgjørende for produksjon av ATP i celleånding.

På dette tidspunktet er det fornuftig å skille aerob og anaerob glykolyse. Aerob glykolyse fører til pyruvat beskrevet ovenfor, som deretter kan brukes til å generere energi.
Den anaerobe glykolysen, derimot, som finner sted under betingelser med oksygenmangel, kan pyruvat ikke lenger brukes, siden sitronsyresyklusen krever oksygen. I forbindelse med glykolyse opprettes også mellomlagringsmolekylet NADH, som er energirikt i seg selv og også vil strømme inn i Krebs-syklusen under aerobe forhold. Imidlertid er modermolekylet NAD + nødvendig for å opprettholde glykolyse. Dette er grunnen til at kroppen "biter" det "sure eplet" her og konverterer dette høyenergimolekylet tilbake til sin opprinnelige form. Pyruvatet brukes til å utføre reaksjonen. Den såkalte laktat eller melkesyre dannes fra pyruvat.

Les mer om dette under

• laktat
• Anaerob terskel

Hva er respirasjonskjeden?

Åndedrettskjeden er den siste delen av glukosenedbrytningsveien. Etter at sukkeret er blitt metabolisert i glykolyse- og sitronsyresyklusen, har luftkjeden funksjonen til å regenerere reduksjonsekvivalenter (NADH + H + og FADH2) som skapes. Dette skaper den universelle energibæreren ATP (adenosintrifosfat). I likhet med sitronsyresyklusen er respirasjonskjeden lokalisert i mitokondriene, som derfor også blir referert til som "kraftverkene i cellen". Åndedrettskjeden består av fem enzymkomplekser som er innebygd i den indre mitokondrielle membranen. De to første enzymkompleksene regenererer hver NADH + H + (eller FADH2) til NAD + (eller FAD). Under oksydasjonen av NADH + H + blir fire protoner fraktet fra matriksrommet inn i intermembranrommet. To protoner pumpes også inn i intermembranområdet for de følgende tre enzymkomplekser. Dette skaper en konsentrasjonsgradient som brukes til å produsere ATP. For dette formålet strømmer protoner fra intermembranrommet gjennom en ATP-syntase tilbake i matriksrommet. Den frigjorte energien brukes til å til slutt produsere ATP fra ADP (adenosindifosfat) og fosfat. En annen oppgave for åndedrettskjeden er å avskjære elektronene som genereres ved oksidasjon av reduksjonsekvivalenter. Dette gjøres ved å overføre elektronene til oksygen. Ved å bringe sammen elektroner, protoner og oksygen skapes normalt vann i det fjerde enzymkomplekset (cytokrom c oksidase). Dette forklarer også hvorfor respirasjonskjeden bare kan finne sted når det er nok oksygen.

Hvilke oppgaver har mitokondriene i åndedrettssystemet?

Mitokondriene er organeller som bare finnes i eukaryote celler. De blir også referert til som "kraftverkene i cellen", fordi celle respirasjon finner sted i dem. Sluttproduktet av cellulær respirasjon er ATP (adenosintrifosfat). Dette er en universell energibærer som kreves i hele den menneskelige organismen. Rommene i mitokondriene er en forutsetning for celleånding. Dette betyr at det er separate reaksjonsrom i mitokondrionen. Dette oppnås ved en indre og en ytre membran, slik at det er et intermembranrom og et indre matriksrom.

I løpet av åndedrettskjeden transporteres protoner (hydrogenioner, H +) inn i intermembranområdet, slik at det oppstår en forskjell i konsentrasjon av protoner. Disse protonene kommer fra forskjellige reduksjonsekvivalenter, så som NADH + H + og FADH2, som derved regenereres til NAD + og FAD.

ATP-syntase er det siste enzymet i respirasjonskjeden, der ATP til slutt produseres. Drevet av forskjellen i konsentrasjon strømmer protonene fra intermembranrommet gjennom ATP-syntasen inn i matriksrommet. Denne strømmen av positiv ladning frigjør energi som brukes til å produsere ATP fra ADP (adenosindifosfat) og fosfat. Mitokondriene er spesielt egnet for luftkjeden, da de har to reaksjonsrom på grunn av dobbeltmembranen. I tillegg foregår mange metabolske veier (glykolyse, sitronsyresyklus), som gir startmaterialene (NADH + H +, FADH2) for luftveiene, i mitokondrion. Denne romlige nærheten er en annen fordel og gjør mitokondriene til det ideelle stedet for celleånding.

Her kan du finne ut alt om temaet i respirasjonskjeden

Energibalanse

Energibalansen i celle respirasjon når det gjelder glukose kan oppsummeres som følger med dannelse av 32 ATP molekyler per glukose:

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

(For klarhetens skyld har ADP og fosfatresten Pi blitt utelatt fra spissene)

Under anaerobe forhold, dvs. mangel på oksygen, kan ikke sitronsyresyklusen løpe, og energi kan bare oppnås ved aerob glykolyse:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP blir 2 laktat + 2 ATP. + 2 H2O. Så bare oppnås omtrent 6% av andelen per glukosemolekyl, som vil være tilfelle med aerob glykolyse.

Sykdommer relatert til cellulær respirasjon

De Cellulær respirasjon er viktig for å overlevedvs. at mange mutasjoner i genene som er ansvarlige for proteinene i celle respirasjon, f.eks. Enzymer av glykolyse, koding, dødelig (fatal) er. Imidlertid forekommer genetiske sykdommer i celle respirasjon. Disse kan stamme fra kjernefysisk DNA eller fra mitokondriell DNA. Selve mitokondriene inneholder sitt eget genetiske materiale, som er nødvendig for celleånding. Imidlertid viser disse sykdommene lignende symptomer, siden de alle har en ting til felles: De griper inn i cellulær respirasjon og forstyrrer den.

Cellulære luftveissykdommer viser ofte lignende kliniske symptomer. Det er spesielt viktig her Forstyrrelser i vev, som trenger mye energi. Disse inkluderer spesielt nerve-, muskel-, hjerte-, nyre- og leverceller. Symptomer som muskelsvakhet eller tegn på hjerneskade forekommer ofte også i ung alder, hvis ikke på fødselstidspunktet. Snakker også en uttalt Melkesyre acidose (En overforsuring av kroppen med laktat, som akkumuleres fordi pyruvat ikke kan brytes tilstrekkelig ned i sitronsyresyklusen). Interne organer kan også fungere.

Diagnostisering og terapi av sykdommer i cellulær respirasjon bør utføres av spesialister, siden det kliniske bildet kan være veldig mangfoldig og annerledes. Per i dag er det fortsatt ingen kausal og kurativ terapi gir. Sykdommene kan bare behandles symptomatisk.

Siden mitokondrialt DNA overføres fra mor til barn på en veldig komplisert måte, bør kvinner som lider av en sykdom i den cellulære respirasjonen oppsøke en spesialist hvis de ønsker å få barn, da bare de kan estimere sannsynligheten for arv.