Buněčné dýchání u lidí

definice

Dýchání buněk, také nazývané aerobní (ze starořeckého „aer“ - vzduchu), popisuje rozklad živin, jako je glukóza nebo mastné kyseliny u lidí, kteří využívají kyslík (O2) k výrobě energie, která je nezbytná pro přežití buněk. Živiny jsou oxidovány, tj. vydávají elektrony, když je snížen kyslík, což znamená, že přijímá elektrony. Konečné produkty, které vznikají z kyslíku a živin, jsou oxid uhličitý (CO2) a voda (H2O).

Funkce a úkoly buněčného dýchání

Všechny procesy v lidském těle vyžadují energii. Cvičení, funkce mozku, tlučení srdce, slin nebo vlasů a dokonce i trávení vyžadují energii, aby fungovaly.

Kromě toho tělo potřebuje kyslík, aby přežilo. Zvláštní význam má zde buněčné dýchání. S pomocí tohoto a plynného kyslíku je možné, aby tělo spalovalo látky bohaté na energii a získalo od nich potřebnou energii. Samotný kyslík nám neposkytuje žádnou energii, ale je nezbytný k provádění chemických spalovacích procesů v těle, a je proto nezbytný pro naše přežití.

Tělo zná mnoho různých typů energetických nosičů:

• Glukóza (cukr) je hlavním zdrojem energie a základním stavebním kamenem, jakož i konečným produktem rozděleným ze všech škrobových potravin
• Mastné kyseliny a glycerin jsou konečnými produkty rozkladu tuků a mohou být také použity při výrobě energie
• Poslední skupinou energetických zdrojů jsou aminokyseliny, které zůstávají jako produkt rozkladu proteinů. Po určité transformaci v těle je lze použít také při dýchání buněk a tím i při tvorbě energie

Přečtěte si více o tom pod Cvičení a spalování tuků

Nejběžnějším zdrojem energie, který lidské tělo používá, je glukóza. Existuje řada reakcí, které v konečném důsledku vedou ke vzniku produktů CO2 a H2O se spotřebou kyslíku. Tento proces zahrnuje Glykolýza, takže Rozdělení glukózy a převod produktu, Pyruvát prostředním krokem Acetyl-CoA v Cyklus kyseliny citronové (Synonymum: cyklus kyseliny citronové nebo Krebsův cyklus). Do tohoto cyklu proudí také produkty rozkladu jiných živin, jako jsou aminokyseliny nebo mastné kyseliny. Nazývá se proces, ve kterém jsou mastné kyseliny „štěpeny“, takže mohou také proudit do cyklu kyseliny citronové Beta oxidace.

Cyklus kyseliny citronové je proto druh vstupního bodu, kde mohou být všechny energetické nosiče přiváděny do energetického metabolismu. Cyklus se koná v Mitochondrie místo toho „energetické elektrárny“ lidských buněk.

Během všech těchto procesů je část energie spotřebována ve formě ATP, ale již se získává, jako je tomu například v případě glykolýzy. Kromě toho existují převážně další mezisklady energie (např. NADH, FADH2), které plní svou funkci jako mezisklady energie během výroby energie. Tyto mezilehlé ukládací molekuly pak proudí do posledního kroku dýchání buněk, jmenovitě do kroku oxidační fosforylace, také známé jako respirační řetězec. To je krok, ke kterému všechny procesy doposud fungovaly. Dýchací řetězec, který také probíhá v mitochondriích, také sestává z několika kroků, ve kterých jsou energeticky bohaté mezilehlé ukládací molekuly použity k extrakci univerzálního nosiče energie ATP. Celkově vede rozpad jedné molekuly glukózy k celkem 32 ATP molekulám.

Pro zájemce

Dýchací řetězec obsahuje různé proteinové komplexy, které zde hrají velmi zajímavou roli. Fungují jako čerpadla, která pumpují protony (ionty H +) do dutiny mitochondriální dvojité membrány, zatímco spotřebovávají mezilehlé úložné molekuly, takže tam je vysoká koncentrace protonů. To způsobí koncentrační gradient mezi intermembránovým prostorem a mitochondriální maticí. S pomocí tohoto gradientu existuje nakonec proteinová molekula, která funguje podobným způsobem jako vodní turbína. Protein, který je poháněn tímto gradientem v protonech, syntetizuje molekulu ATP z ADP a fosfátové skupiny.

Více informací naleznete zde: Co je dýchací řetězec?

ATP

Adenosin trifosfát (ATP) je energetický nosič lidského těla. Veškerá energie, která vzniká při buněčném dýchání, je zpočátku uložena ve formě ATP. Tělo může energii použít pouze tehdy, je-li ve formě molekuly ATP.

Pokud se spotřebuje energie molekuly ATP, vytvoří se z ATP adenosin difosfát (ADP), čímž se oddělí fosfátová skupina molekuly a uvolní se energie. Buněčné dýchání nebo tvorba energie slouží k nepřetržité regeneraci ATP z takzvaného ADP, aby ho tělo mohlo znovu použít.

Reakční rovnice

Vzhledem k tomu, že mastné kyseliny mají různé délky a že aminokyseliny mají také velmi odlišné struktury, není možné pro tyto dvě skupiny stanovit jednoduchou rovnici, která by přesně charakterizovala jejich energetický výtěžek při dýchání buněk. Protože každá strukturální změna může určit, ve kterém kroku citrátového cyklu proudí aminokyselina.
Rozklad mastných kyselin při tzv. Beta oxidaci závisí na jejich délce. Čím déle mastné kyseliny, tím více energie z nich lze získat. To se liší mezi nasycenými a nenasycenými mastnými kyselinami, přičemž nenasycené mastné kyseliny poskytují minimálně méně energie, pokud mají stejné množství.

Z výše uvedených důvodů lze pro rozpis glukózy nejlépe popsat rovnici. Tím se vytvoří celkem 6 molekul oxidu uhličitého (CO2) a 6 molekul vody (H2O) z molekuly glukózy (C6H12O6) a 6 molekul kyslíku (O2):

• C6H12O6 + 6 O2 se stane 6 CO2 + 6 H2O

Co je glykolýza?

Glykolýza popisuje rozklad glukózy, tj. Hroznového cukru. Tato metabolická cesta probíhá v lidských buňkách i v jiných, např. v případě kvasinek během kvašení. Místo, kde buňky provádějí glykolýzu, je v cytoplazmě. Zde jsou enzymy, které urychlují glykolýzní reakce, aby přímo syntetizovaly ATP a poskytly substráty pro cyklus kyseliny citronové. Tento proces vytváří energii ve formě dvou molekul ATP a dvou molekul NADH + H +. Glykolýza společně s cyklem kyseliny citronové a respiračním řetězcem, které jsou oba umístěny v mitochondrii, představují rozpad jednoduché glukózy na univerzální nosič energie ATP. Glykolýza probíhá v cytosolu všech živočišných a rostlinných buněk.Konečným produktem glykolýzy je pyruvát, který se pak může zavádět do cyklu kyseliny citronové prostředním krokem.

Celkově se na glykolýzu používají 2 ATP na molekulu glukózy, aby bylo možné provádět reakce. Jsou však získány 4 ATP, takže je skutečně dosaženo čistého zisku 2 molekul ATP.

Glykolýza je deset reakčních kroků, dokud se cukr se 6 atomy uhlíku nezmění na dvě molekuly pyruvátu, z nichž každý se skládá ze tří atomů uhlíku. V prvních čtyřech reakčních krocích se cukr přeměňuje na fruktózu-1,6-bisfosfát pomocí dvou fosfátů a přesmyku. Tento aktivovaný cukr je nyní rozdělen na dvě molekuly, každá se třemi atomy uhlíku. Další přestavby a odstranění dvou fosfátových skupin nakonec vedou ke dvěma pyruvátům. Pokud je nyní k dispozici kyslík (O2), může být pyruvát dále metabolizován na acetyl-CoA a zaveden do cyklu kyseliny citronové. Celkově má ​​glykolýza se dvěma molekulami ATP a dvěma molekulami NADH + H + relativně nízký energetický výtěžek. Předkládá však základ pro další rozklad cukru, a je proto nezbytná pro produkci ATP při dýchání buněk.

V tomto okamžiku má smysl oddělit aerobní a anaerobní glykolýzu. Aerobní glykolýza vede k výše popsanému pyruvátu, který lze potom použít k výrobě energie.
Naproti tomu anaerobní glykolýza, ke které dochází za podmínek nedostatku kyslíku, již nelze pyruvát používat, protože cyklus kyseliny citronové vyžaduje kyslík. V souvislosti s glykolýzou se také vytvoří intermediární paměťová molekula NADH, která je sama o sobě energeticky bohatá a za aerobních podmínek by také proudila do Krebsova cyklu. K udržení glykolýzy je však nezbytná rodičovská molekula NAD +. Proto tělo „kouše“ „kyselé jablko“ a převádí tuto vysoce energetickou molekulu zpět do své původní podoby. Pyruvát se používá k provedení reakce. Z pyruvátu se tvoří tzv. Laktát nebo kyselina mléčná.

Přečtěte si více o tom pod

• Laktát
• Anaerobní práh

Co je dýchací řetězec?

Dýchací řetězec je poslední částí cesty odbourávání glukózy. Poté, co byl cukr metabolizován v glykolýze a cyklu kyseliny citronové, má dýchací řetězec funkci regenerujících redukčních ekvivalentů (NADH + H + a FADH2), které jsou vytvořeny. Tím se vytvoří univerzální nosič energie ATP (adenosintrifosfát). Podobně jako cyklus kyseliny citronové je dýchací řetězec umístěn v mitochondriích, které se proto také nazývají „elektrárnami buňky“. Dýchací řetězec se skládá z pěti enzymových komplexů, které jsou zabudovány do vnitřní mitochondriální membrány. První dva enzymové komplexy každý regenerují NADH + H + (nebo FADH2) na NAD + (nebo FAD). Během oxidace NADH + H + jsou čtyři protony transportovány z maticového prostoru do intermembránového prostoru. Do intermembránového prostoru se také čerpají dva protony pro následující tři enzymové komplexy. Tím se vytvoří koncentrační gradient, který se používá k výrobě ATP. Za tímto účelem protony protékají z intermembránového prostoru přes ATP syntázu zpět do maticového prostoru. Uvolněná energie se používá k výrobě ATP z ADP (adenosin difosfát) a fosfátu. Dalším úkolem respiračního řetězce je zachytit elektrony generované oxidací redukčních ekvivalentů. To se provádí přenosem elektronů na kyslík. Spojením elektronů, protonů a kyslíku vzniká ve čtvrtém enzymatickém komplexu (cytochrom c oxidáza) normální voda. To také vysvětluje, proč dýchací řetězec může probíhat pouze tehdy, když je dostatek kyslíku.

Jaké úkoly mají mitochondrie při dýchání buněk?

Mitochondrie jsou organely, které se vyskytují pouze v eukaryotických buňkách. Nazývají se také „elektrárnami buňky“, protože v nich dochází k dýchání buněk. Konečným produktem buněčné dýchání je ATP (adenosintrifosfát). Jedná se o univerzální nosič energie, který je vyžadován v celém lidském organismu. Prostory mitochondrií jsou předpokladem pro dýchání buněk. To znamená, že v mitochondrii jsou oddělené reakční prostory. Toho je dosaženo vnitřní a vnější membránou, takže existuje mezimembránový prostor a vnitřní matricový prostor.

V průběhu respiračního řetězce jsou protony (vodíkové ionty, H +) transportovány do intermembránového prostoru, takže vzniká rozdíl v koncentraci protonů. Tyto protony pocházejí z různých redukčních ekvivalentů, jako jsou NADH + H + a FADH2, které se tím regenerují na NAD + a FAD.

Syntéza ATP je posledním enzymem v dýchacím řetězci, kde se ATP nakonec produkuje. V důsledku rozdílu v koncentraci protony protékají z intermembránového prostoru přes ATP syntázu do maticového prostoru. Tento tok pozitivního náboje uvolňuje energii, která se používá k produkci ATP z ADP (adenosin difosfát) a fosfátu. Mitochondrie jsou zvláště vhodné pro dýchací řetězec, protože díky dvojité membráně mají dva reakční prostory. Kromě toho v mitochondrii probíhá řada metabolických cest (glykolýza, cyklus kyseliny citronové), které poskytují výchozí materiály (NADH + H +, FADH2) pro dýchací řetězec. Tato prostorová blízkost je další výhodou a činí z mitochondrií ideální místo pro dýchání buněk.

Zde najdete vše o tématu dýchacího řetězce

Energetická bilance

Energetická bilance dýchání buněk v případě glukózy může být shrnuta následovně, s tvorbou 32 ATP molekul na glukózu:

C6H12O6 + 6 O2 se stane 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Kvůli přehlednosti byl ADP a fosfátový zbytek Pi ze škol vynechán)

Za anaerobních podmínek, tj. Nedostatku kyslíku, nemůže cyklus kyseliny citronové běžet a energii lze získat pouze prostřednictvím aerobní glykolýzy:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP se stávají 2 laktáty + 2 ATP. + 2 H2O. Takže pouze asi 6% podílu se získá na molekulu glukózy, jako by tomu bylo v případě aerobní glykolýzy.

Nemoci související s buněčným dýcháním

Buněčné dýchání je nezbytné pro přežitítj. že mnoho mutací v genech zodpovědných za proteiny buněčného dýchání, např. Enzymy glykolýzy, kódování, letální (fatální) jsou. Objevují se však genetická onemocnění dýchání buněk. Ty mohou pocházet z jaderné DNA nebo z mitochondriální DNA. Samotné mitochondrie obsahují svůj vlastní genetický materiál, který je nezbytný pro dýchání buněk. Tato onemocnění však vykazují podobné příznaky, protože všechny mají jednu společnou věc: zasahují do buněčného dýchání a narušují je.

Buňky dýchacího ústrojí často vykazují podobné klinické příznaky. Zde je to obzvláště důležité Poruchy tkání, které vyžadují hodně energie. Jedná se zejména o nervové, svalové, srdeční, ledvinové a jaterní buňky. Příznaky, jako je svalová slabost nebo známky poškození mozku, se často objevují i ​​v mladém věku, ne-li v době narození. Také mluví výrazně Laktátová acidóza (Nadměrné okyselení těla laktátem, které se hromadí, protože pyruvát nelze v cyklu kyseliny citronové dostatečně rozložit). Vnitřní orgány mohou také selhat.

Diagnózu a léčbu nemocí buněčného dýchání by měli provádět odborníci, protože klinický obraz může být velmi různorodý a odlišný. Od dnešního dne je to stále žádná kauzální a léčebná terapie dává. Nemoci lze léčit pouze symptomaticky.

Protože mitochondriální DNA je přenášena z matky na děti velmi komplikovaným způsobem, měly by ženy, které trpí onemocněním buněčného dýchání, kontaktovat odborníka, pokud chtějí mít děti, protože pouze oni mohou odhadnout pravděpodobnost dědičnosti.