Buněčné dýchání u lidí

definice

Buněčné dýchání, také nazývané aerobní (ze starořeckého „aer“ - vzduch), popisuje rozklad živin, jako je glukóza nebo mastné kyseliny u lidí, pomocí kyslíku (O2) ke generování energie, která je nezbytná pro přežití buněk. V tomto procesu jsou živiny oxidovány, tj. Vydávají elektrony, zatímco kyslík je redukován, což znamená, že přijímá elektrony. Konečnými 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, tlukot srdce, tvorba slin nebo vlasů a dokonce i trávení - to vše vyžaduje energii, aby fungovaly.

Tělo navíc potřebuje k přežití kyslík. Zde je zvláště důležité buněčné dýchání. S pomocí tohoto a plynného kyslíku je možné, aby tělo spalovalo energeticky bohaté látky a získalo z nich potřebnou energii. Samotný kyslík nám neposkytuje žádnou energii, ale je nutný k provádění chemických spalovacích procesů v těle, a je proto nezbytný pro naše přežití.

Tělo zná mnoho různých typů nosičů energie:

• Glukóza (cukr) je hlavním nosičem energie a základním stavebním kamenem, stejně jako konečný produkt štěpený ze všech škrobnatých potravin
• Mastné kyseliny a glycerin jsou konečnými produkty rozkladu tuků a lze je také použít při výrobě energie
• Poslední skupinou nosičů energie jsou aminokyseliny, které zbyly jako produkt štěpení bílkovin. Po určité transformaci v těle je pak lze použít také při buněčném dýchání, a tedy k výrobě energie

Přečtěte si více o tomto pod Cvičení a spalování tuků

Nejběžnějším zdrojem energie využívaným lidským tělem je glukóza. Existuje řetězec reakcí, které nakonec vedou k produktům CO2 a H2O se spotřebou kyslíku. Tento proces zahrnuje Glykolýza, takže Štěpení glukózy a převodu produktu, Pyruvát prostřednictvím mezikroku Acetyl-CoA v Cyklus kyseliny citronové (Synonymum: cyklus kyseliny citronové nebo Krebsův cyklus). Do tohoto cyklu také proudí produkty rozkladu jiných živin, jako jsou aminokyseliny nebo mastné kyseliny. Proces, při kterém se mastné kyseliny „rozkládají“, aby mohly také proudit do cyklu kyseliny citronové, se nazývá Beta oxidace.

Cyklus kyseliny citronové je tedy jakýmsi vstupním bodem, kde lze do energetického metabolismu přivádět všechny zdroje energie. Cyklus probíhá v Mitochondrie místo toho „energetické elektrárny“ lidských buněk.

Během všech těchto procesů se určitá energie spotřebovává ve formě ATP, ale ta již byla získána, jako je tomu například v případě glykolýzy. Kromě toho existují převážně další mezilehlé zásoby energie (např. NADH, FADH2), které plní svou funkci mezilehlých zásob energie pouze během výroby energie. Tyto mezilehlé akumulační molekuly pak proudí do posledního kroku buněčného dýchání, konkrétně do kroku oxidační fosforylace, známého také jako dýchací řetězec. Toto je krok, ke kterému dosud fungovaly všechny procesy. Dýchací řetězec, který také probíhá v mitochondriích, také sestává z několika kroků, ve kterých se poté z energeticky bohatých mezilehlých zásobních molekul získá univerzální nosič energie ATP. Celkově má ​​rozpad jedné molekuly glukózy za následek celkem 32 molekul ATP.

Pro ty, kteří mají zvláštní zájem

Dýchací řetězec obsahuje různé proteinové komplexy, které zde hrají velmi zajímavou roli. Fungují jako pumpy, které pumpují protony (ionty H +) do dutiny mitochondriální dvojité membrány, zatímco spotřebovávají mezilehlé zásobní molekuly, takže tam je vysoká koncentrace protonů. To způsobí koncentrační gradient mezi mezimembránovým prostorem a mitochondriální matricí. S pomocí tohoto gradientu nakonec existuje molekula proteinu, která funguje podobným způsobem jako typ vodní turbíny. Díky tomuto gradientu v protonech protein syntetizuje molekulu ATP z ADP a fosfátové skupiny.

Více informací naleznete zde: Co je to dýchací řetězec?

ATP

The Adenosintrifosfát (ATP) je nosičem energie v lidském těle. Veškerá energie, která vzniká buněčným dýcháním, je zpočátku ukládána ve formě ATP. Tělo může energii využívat, pouze pokud je ve formě molekuly ATP.

Pokud se energie molekuly ATP vyčerpá, vytvoří se z ATP adenosindifosfát (ADP), čímž se odštěpí fosfátová skupina molekuly a uvolní se energie. Dýchání buněk nebo generování energie slouží k nepřetržité regeneraci ATP z takzvaného ADP, aby jej tělo mohlo znovu použít.

Reakční rovnice

Vzhledem k tomu, že mastné kyseliny mají různou délku a že aminokyseliny mají také velmi odlišné struktury, není možné nastavit pro tyto dvě skupiny jednoduchou rovnici, která by přesně charakterizovala jejich energetický výtěžek v buněčném dýchání. Protože každá strukturální změna může určit, ve kterém kroku citrátového cyklu aminokyselina proudí.
Rozpad mastných kyselin v takzvané beta oxidaci závisí na jejich délce. Čím delší jsou 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 již zmíněných důvodů lze nejlépe popsat rovnici pro rozklad glukózy. Molekula glukózy (C6H12O6) a 6 molekul kyslíku (O2) mají za následek celkem 6 molekul oxidu uhličitého (CO2) a 6 molekul vody (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 se změní na 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. Kvasnicích během fermentace. Místo, kde buňky provádějí glykolýzu, je v cytoplazmě. Zde jsou přítomny enzymy, které urychlují glykolýzní reakce za účelem přímé syntézy ATP a poskytnutí substrátů pro cyklus kyseliny citronové. Tento proces vytváří energii ve formě dvou molekul ATP a dvou molekul NADH + H +. Glykolýza spolu s cyklem kyseliny citronové a dýchacím řetězcem, které se nacházejí v mitochondriích, představují cestu rozkladu jednoduché glukózy cukru na univerzální nosič energie ATP. Glykolýza probíhá v cytosolu všech živočišných a rostlinných buněk . Konečným produktem glykolýzy je pyruvát, který lze poté zavést do cyklu kyseliny citronové prostřednictvím mezikroku.

Celkem se používají 2 ATP na molekulu glukózy při glykolýze, aby bylo možné provádět reakce. Získají se však 4 ATP, takže ve skutečnosti existuje čistý zisk 2 ATP molekul.

Glykolýza 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 pomocí dvou fosfátů a přesmyku přemění na fruktóza-1,6-bisfosfát. Tento aktivovaný cukr je nyní rozdělen na dvě molekuly, každá se třemi atomy uhlíku. Další přesmyky 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. Položí však základ pro další štěpení cukru, a je proto nezbytný pro produkci ATP v buněčném dýchání.

V tomto okamžiku má smysl oddělit aerobní a anaerobní glykolýzu. Aerobní glykolýza vede k výše popsanému pyruvátu, který lze poté použít k výrobě energie.
Naopak anaerobní glykolýza, která probíhá za podmínek nedostatku kyslíku, již nelze použít pyruvát, protože cyklus kyseliny citrónové vyžaduje kyslík. V souvislosti s glykolýzou se také vytváří mezilehlá skladovací molekula NADH, která je sama o sobě bohatá na energii a za aerobních podmínek by také proudila do Krebsova cyklu. Mateřská molekula NAD + je však nezbytná pro udržení glykolýzy. Proto zde tělo „kouše“ „kyselé jablko“ a přeměňuje tuto vysokoenergetickou molekulu zpět do původní podoby. K provedení reakce se použije pyruvát. Z pyruvátu se tvoří takzvaný laktát nebo kyselina mléčná.

Přečtěte si více o tomto pod

• Laktát
• Anaerobní práh

Co je to dýchací řetězec?

Dýchací řetězec je poslední částí cesty rozkladu glukózy. Poté, co byl cukr metabolizován v glykolýze a cyklu kyseliny citronové, má dýchací řetězec funkci regenerace vytvořených redukčních ekvivalentů (NADH + H + a FADH2). Tím se vytvoří univerzální nosič energie ATP (adenosintrifosfát). Stejně jako cyklus kyseliny citronové se dýchací řetězec nachází v mitochondriích, které se proto označují také jako „elektrárny buňky“. Dýchací řetězec se skládá z pěti komplexů enzymů, které jsou zality ve vnitřní mitochondriální membráně. První dva komplexy enzymů regenerují každý NADH + H + (nebo FADH2) na NAD + (nebo FAD). Během oxidace NADH + H + jsou čtyři protony transportovány z prostoru matrice do mezimembránového prostoru. Dva protony jsou také čerpány do intermembránového prostoru v každém z následujících tří komplexů enzymů. Tím se vytvoří koncentrační gradient, který se používá k produkci ATP. Za tímto účelem protony proudí z mezimembránového prostoru přes ATP syntázu zpět do prostoru matice. Uvolněná energie se používá k konečné produkci ATP z ADP (adenosindifosfát) a fosfátu. Dalším úkolem dýchacího řetězce je zachytit elektrony generované oxidací redukčních ekvivalentů. To se provádí přenosem elektronů na kyslík. Spojením elektronů, protonů a kyslíku vzniká normální voda ve čtvrtém komplexu enzymů (cytochrom c oxidáza). To také vysvětluje, proč dýchací řetězec může probíhat pouze tehdy, když je dostatek kyslíku.

Jaké jsou úkoly mitochondrií v buněčném dýchání?

Mitochondrie jsou organely, které se nacházejí pouze v eukaryotických buňkách. Jsou také označovány jako „elektrárny buňky“, protože právě v nich probíhá buněčné dýchání. Konečným produktem buněčného dýchání je ATP (adenosintrifosfát). Jedná se o univerzální nosič energie, který je vyžadován v celém lidském organismu. Rozdělení mitochondrií je předpokladem pro buněčné dýchání. To znamená, že v mitochondrii jsou oddělené reakční prostory. Toho je dosaženo vnitřní a vnější membránou, takže existuje mezimembránový prostor a vnitřní maticový prostor.

V průběhu dýchacího řetězce jsou protony (vodíkové ionty, H +) transportovány do mezimembránového 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.

ATP syntáza je posledním enzymem v dýchacím řetězci, kde se nakonec produkuje ATP. Poháněn rozdílem v koncentraci protony proudí z intermembránového prostoru přes ATP syntázu do maticového prostoru. Tento tok kladného náboje uvolňuje energii, která se používá k výrobě ATP z ADP (adenosindifosfát) a fosfátu. Mitochondrie jsou zvláště vhodné pro dýchací řetězec, protože mají dvojí membránu dva reakční prostory. Kromě toho v mitochondrii probíhá mnoho metabolických drah (glykolýza, cyklus kyseliny citronové), které poskytují výchozí látky (NADH + H +, FADH2) pro dýchací řetězec. Tato prostorová blízkost je další výhodou a dělá z mitochondrií ideální místo pro buněčné dýchání.

Zde se dozvíte vše o tématu dýchacího řetězce

Energetická bilance

Energetickou bilanci buněčného dýchání v případě glukózy lze shrnout následovně s tvorbou 32 molekul ATP na glukózu:

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

(V zájmu jasnosti byly z eduktů vynechány ADP a fosfátový zbytek Pi)

Za anaerobních podmínek, tj. Nedostatek kyslíku, nemůže cyklus kyseliny citrónové běžet a energii lze získat pouze aerobní glykolýzou:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP se stanou 2 laktátem + 2 ATP. + 2 H2O. Na molekulu glukózy se tedy získá pouze asi 6% podílu, jako by tomu bylo v případě aerobní glykolýzy.

Nemoci související s buněčným dýcháním

The Buněčné dýchání je nezbytné pro přežitítj. že mnoho mutací v genech, které kódují proteiny buněčného dýchání, např. enzymy glykolýzy, je smrtelných (fatální) jsou. Genetická onemocnění buněčného dýchání se však vyskytují. Ty mohou pocházet z jaderné DNA i z mitochondriální DNA. Samotné mitochondrie obsahují svůj vlastní genetický materiál, který je nezbytný pro buněčné dýchání. Tato onemocnění však vykazují podobné příznaky, protože všechny mají jednu společnou věc: zasahují do buněčného dýchání a narušují ho.

Buněčná respirační onemocnění často vykazují podobné klinické příznaky. Je to zde zvlášť důležité Poruchy tkání, které potřebují hodně energie. Patří mezi ně zejména nervové, svalové, srdeční, ledvinové a jaterní buňky. Příznaky, jako je svalová slabost nebo známky poškození mozku, se často vyskytují i ​​v mladém věku, ne-li v době narození. Také mluví vysloveně Laktátová acidóza (Překyselení těla laktátem, který se hromadí, protože pyruvát nelze dostatečně rozložit v cyklu kyseliny citronové). Mohou také selhat vnitřní orgány.

Diagnostiku a terapii onemocnění buněčného dýchání by měli převzít odborníci, protože klinický obraz se může ukázat velmi různorodý a odlišný. K dnešnímu dni je stále žádná kauzální a léčebná terapie dává. Nemoci lze léčit pouze symptomaticky.

Vzhledem k tomu, že mitochondriální DNA se přenáší z matky na dítě velmi komplikovaným způsobem, měly by ženy, které trpí onemocněním buněčného dýchání, kontaktovat odborníka, pokud chtějí mít děti, protože jen oni mohou odhadnout pravděpodobnost dědičnosti.