Respirație celulară la om

definiție

Respiratia celulara, numita si aerobica (din greaca antica "aer" - aer), descrie descompunerea nutrientilor, cum ar fi glucoza sau acizii grasi la om care folosesc oxigen (O2) pentru a genera energie, care este necesara pentru supravietuirea celulelor. Elementele nutritive sunt oxidate, adică. ele emană electroni, deoarece oxigenul este redus, ceea ce înseamnă că acceptă electroni. Produsele finale care provin din oxigen și nutrienți sunt dioxidul de carbon (CO2) și apa (H2O).

Funcția și sarcinile respirației celulare

Toate procesele din corpul uman necesită energie. Exercițiile fizice, funcția creierului, bătăile inimii, saliva sau confecționarea părului și chiar digestia necesită energie pentru a funcționa.

În plus, organismul are nevoie de oxigen pentru a supraviețui. Respiratia celulara are o importanta deosebita aici. Cu ajutorul acestui lucru și al oxigenului din gaz, este posibil ca organismul să arde substanțe bogate în energie și să obțină energia necesară din acestea. Oxigenul în sine nu ne oferă nicio energie, dar este necesar pentru a efectua procesele de ardere chimică din organism și, prin urmare, este esențial pentru supraviețuirea noastră.

Corpul cunoaște multe tipuri diferite de purtători de energie:

• Glucoza (zahărul) este principala sursă de energie și blocul de bază de construcție, precum și produsul final împărțit de toate produsele alimentare cu amidon
• Acizii grași și glicerina sunt produsele finale ale descompunerii grăsimilor și pot fi utilizate și în producția de energie
• Ultimul grup de surse de energie sunt aminoacizii care au rămas ca produs al descompunerii proteinelor. După o anumită transformare în organism, acestea pot fi utilizate și în respirația celulară și, astfel, pentru generarea de energie

Citiți mai multe despre acest lucru în secțiunea de mai jos Exerciții fizice și arderea grăsimilor

Cea mai comună sursă de energie folosită de corpul uman este glucoza. Există un lanț de reacții care duc în final la produsele CO2 și H2O odată cu consumul de oxigen. Acest proces include glicoliză, asa ca Divizarea glucozei și transferul produsului, piruvat prin etapa intermediară a AcetilCoA în Ciclul acidului citric (Sinonim: ciclul acidului citric sau ciclul Krebs). Produsele de descompunere ale altor nutrienți, cum ar fi aminoacizii sau acizii grași, de asemenea, curg în acest ciclu. Procesul în care acizii grași sunt „defalcați”, astfel încât aceștia să poată curge și în ciclul acidului citric este numit Oxidarea beta.

Ciclul acidului citric este așadar un fel de punct de intrare în care toți purtătorii de energie pot fi alimentați în metabolismul energetic. Ciclul are loc în mitocondriile în schimb, „centralele energetice” ale celulelor umane.

În timpul tuturor acestor procese, o anumită energie este consumată sub formă de ATP, dar este deja obținută, cum este cazul, de exemplu, în glicoliză. În plus, există predominant alte depozite de energie intermediară (de exemplu, NADH, FADH2) care își îndeplinesc funcția doar de depozite de energie intermediară în timpul producerii de energie. Aceste molecule intermediare de stocare se scurg apoi în ultima etapă a respirației celulare, și anume etapa de fosforilare oxidativă, cunoscută și sub denumirea de lanț respirator. Acesta este pasul către care toate procesele au funcționat până acum. Lanțul respirator, care are loc și în mitocondrii, constă, de asemenea, din mai multe etape în care moleculele de stocare intermediare bogate în energie sunt apoi utilizate pentru a extrage ATP-ul purtătorului de energie universal. În total, descompunerea unei molecule de glucoză are ca rezultat un total de 32 de molecule de ATP.

Pentru cei deosebit de interesați

Lanțul respirator conține diverse complexe proteice care joacă aici un rol foarte interesant. Funcționează ca niște pompe care pompează protoni (ioni H +) în cavitatea membranei duble mitocondriale, consumând în același timp molecule de stocare intermediare, astfel încât există o concentrație mare de protoni acolo. Aceasta determină un gradient de concentrație între spațiul intermembran și matricea mitocondrială. Cu ajutorul acestui gradient, există în cele din urmă o moleculă de proteine ​​care funcționează într-un mod similar cu un tip de turbină de apă. Condusă de acest gradient în protoni, proteina sintetizează o moleculă de ATP dintr-un ADP și o grupare fosfat.

Puteți găsi mai multe informații aici: Care este lanțul respirator?

ATP

Adenosina trifosfat (ATP) este purtătorul de energie al corpului uman. Toată energia care rezultă din respirația celulară este stocată inițial sub formă de ATP. Corpul poate folosi energia numai dacă este sub forma moleculei ATP.

Dacă energia moleculei ATP este consumată, adenozina difosfat (ADP) este creată din ATP, prin care un grup fosfat al moleculei este divizat și se eliberează energie. Respirația celulară sau generarea de energie servește la regenerarea continuă a ATP din așa-numitul ADP, astfel încât organismul să-l poată folosi din nou.

Ecuația reacției

Datorită faptului că acizii grași au lungimi diferite și că aminoacizii au și structuri foarte diferite, nu este posibil să se stabilească o ecuație simplă pentru aceste două grupuri care să caracterizeze cu exactitate randamentul lor de energie în respirația celulară. Deoarece fiecare modificare structurală poate determina în ce etapă a ciclului citrat curge aminoacizii.
Defalcarea acizilor grași în așa-numita oxidare beta depinde de lungimea lor. Cu cât acizii grași sunt mai lungi, cu atât mai multă energie poate fi obținută din aceștia. Aceasta variază între acizii grași saturați și nesaturați, cei nesaturați oferind energie minimă, cu condiția să aibă aceeași cantitate.

Din motivele menționate deja, o ecuație poate fi descrisă cel mai bine pentru descompunerea glucozei. Aceasta creează un total de 6 molecule de dioxid de carbon (CO2) și 6 molecule de apă (H2O) dintr-o moleculă de glucoză (C6H12O6) și 6 molecule de oxigen (O2):

• C6H12O6 + 6O2 devin 6 CO2 + 6 H2O

Ce este glicoliza?

Glicoliza descrie descompunerea glucozei, adică zahăr de struguri. Această cale metabolică are loc atât în ​​celulele umane, cât și în altele, de ex. în cazul drojdiei în timpul fermentației. Locul în care celulele efectuează glicoliza este în citoplasmă. Aici există enzime care accelerează reacțiile de glicoliză, atât pentru a sintetiza direct ATP cât și pentru a furniza substraturile pentru ciclul acidului citric. Acest proces creează energie sub forma a două molecule de ATP și a două molecule de NADH + H +. Glicoliza, împreună cu ciclul acidului citric și lanțul respirator, ambele situate în mitocondriune, reprezintă descompunerea glucozei simple de zahăr în purtătorul universal de energie ATP. Glicoliza are loc în citosolul tuturor celulelor animale și vegetale.Produsul final al glicolizei este piruvatul, care poate fi apoi introdus în ciclul acidului citric printr-o etapă intermediară.

În total, 2 ATP sunt utilizate pentru fiecare moleculă de glucoză în glicoliză pentru a putea efectua reacțiile. Cu toate acestea, 4 ATP sunt obținute astfel încât există efectiv un câștig net de 2 molecule de ATP.

Glicoliza zece pași de reacție până când un zahăr cu 6 atomi de carbon se transformă în două molecule de piruvat, fiecare alcătuit din trei atomi de carbon. În primele patru etape de reacție, zahărul este transformat în fructoză-1,6-bifosfat cu ajutorul a doi fosfați și o reamenajare. Acest zahăr activat este acum împărțit în două molecule cu trei atomi de carbon fiecare. Reorganizările ulterioare și îndepărtarea celor două grupări de fosfați duc la final la doi piruvati. Dacă acum oxigenul (O2) este disponibil, piruvatul poate fi în continuare metabolizat în acetil-CoA și introdus în ciclul acidului citric. În general, glicoliza cu 2 molecule de ATP și două molecule de NADH + H + are un randament energetic relativ scăzut. Cu toate acestea, acesta constituie fundamentul pentru descompunerea suplimentară a zahărului și, prin urmare, este esențial pentru producerea de ATP în respirația celulară.

În acest moment are sens separarea glicolizei aerobe și anaerobe. Glicoliza aerobă conduce la piruvatul descris mai sus, care poate fi apoi utilizat pentru a genera energie.
În schimb, glicoliza anaerobă, care are loc în condiții de deficiență de oxigen, piruvatul nu mai poate fi utilizat deoarece ciclul acidului citric necesită oxigen. În contextul glicolizei, este creată și molecula de stocare intermediară NADH, care este bogată în energie în sine și ar curge și în ciclul Krebs în condiții aerobe. Cu toate acestea, molecula mamă NAD + este necesară pentru a menține glicoliza. Acesta este motivul pentru care corpul „mușcă” „mărul acru” aici și transformă această moleculă cu energie mare în forma sa inițială. Piruvatul este utilizat pentru a realiza reacția. Așa-numitul lactat sau acid lactic este format din piruvat.

Citiți mai multe despre acest lucru în secțiunea de mai jos

• lactatul
• Pragul anaerob

Care este lanțul respirator?

Lanțul respirator este ultima parte a căii de descompunere a glucozei. După ce zahărul a fost metabolizat în glicoliză și în ciclul acidului citric, lanțul respirator are funcția de a regenera echivalenții de reducere (NADH + H + și FADH2) care sunt create. Acest lucru creează ATP-ul purtătorului de energie universal (adenosină trifosfat). Ca și ciclul acidului citric, lanțul respirator este localizat în mitocondrii, care sunt, de asemenea, denumite „centrale electrice ale celulei”. Lanțul respirator este format din cinci complexe enzimatice care sunt încorporate în membrana mitocondrială internă. Primele două complexe enzimatice fiecare regenerează NADH + H + (sau FADH2) la NAD + (sau FAD). În timpul oxidării NADH + H +, patru protoni sunt transportați din spațiul matricei în spațiul intermembran. De asemenea, doi protoni sunt pompați în spațiul intermembran pentru următoarele trei complexe enzimatice. Acest lucru creează un gradient de concentrare care este utilizat pentru a produce ATP. În acest scop, protonii curg din spațiul intermembran printr-o sintază ATP înapoi în spațiul matricei. Energia eliberată este utilizată pentru a produce în final ATP din ADP (adenozina difosfat) și fosfat. O altă sarcină a lanțului respirator este interceptarea electronilor generați prin oxidarea echivalenților de reducere. Acest lucru se realizează prin transferul electronilor în oxigen. Prin reunirea electronilor, protonilor și oxigenului, apa normală este creată în al patrulea complex enzimatic (citocromul c oxidaza). Acest lucru explică și de ce lanțul respirator nu poate avea loc decât atunci când există suficient oxigen.

Ce sarcini au mitocondriile în respirația celulară?

Mitocondriile sunt organele care se găsesc doar în celulele eucariote. Ele sunt, de asemenea, denumite "centrale electrice ale celulei", deoarece în ele are loc respirația celulară. Produsul final al respirației celulare este ATP (adenozina trifosfat). Acesta este un purtător universal de energie care este necesar în întregul organism uman. Compartimentele mitocondriilor sunt o condiție necesară pentru respirația celulară. Aceasta înseamnă că în mitocondrii există spații de reacție separate. Aceasta se realizează printr-o membrană interioară și externă, astfel încât să existe un spațiu intermembran și un spațiu matricial interior.

În cursul lanțului respirator, protonii (ionii de hidrogen, H +) sunt transportați în spațiul intermembranar, creând o diferență în concentrația de protoni. Acești protoni provin de la diferiți echivalenți de reducere, cum ar fi NADH + H + și FADH2, care sunt astfel regenerați în NAD + și FAD.

ATP sintaza este ultima enzimă din lanțul respirator, unde ATP este produs în final. Conduși de diferența de concentrație, protonii curg din spațiul intermembran prin ATP sintaza în spațiul matricei. Acest flux de încărcare pozitivă eliberează energie care este utilizată pentru producerea de ATP din ADP (adenozina difosfat) și fosfat. Mitocondriile sunt deosebit de potrivite pentru lanțul respirator, deoarece au două spații de reacție datorate dublei membrane. În plus, numeroase căi metabolice (glicoliză, ciclu de acid citric) care furnizează materiile prime (NADH + H +, FADH2) pentru lanțul respirator au loc în mitocondrie. Această apropiere spațială este un alt avantaj și face din mitocondrii locul ideal pentru respirația celulară.

Aici puteți afla totul despre subiectul lanțului respirator

Echilibrul energetic

Bilanțul energetic al respirației celulare în cazul glucozei poate fi rezumat după cum urmează, cu formarea a 32 de molecule de ATP pe glucoză:

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

(Din motive de claritate, ADP și reziduurile de fosfat Pi au fost omise din educturi)

În condiții anaerobe, adică lipsa de oxigen, ciclul acidului citric nu poate rula și energia poate fi obținută numai prin glicoliză aerobă:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP devin 2 Lactat + 2 ATP. + 2 H2O. Deci doar aproximativ 6% din proporție este obținută pe moleculă de glucoză, cum ar fi cazul glicolizei aerobe.

Boli legate de respirația celulară

Respiratia celulara este esentiala pentru supravietuireadică că multe mutații ale genelor responsabile de proteinele respirației celulare, de ex. Enzime de glicoliză, codificare, letală (fatal) sunteți. Cu toate acestea, apar boli genetice ale respirației celulare. Acestea pot provoca din ADN-ul nuclear sau din ADN-ul mitocondrial. Mitocondriile în sine conțin propriul material genetic, care este necesar pentru respirația celulară. Cu toate acestea, aceste boli prezintă simptome similare, deoarece toate au un lucru în comun: intervin în respirația celulară și o perturbă.

Bolile respiratorii celulare prezintă adesea simptome clinice similare. Este deosebit de important aici Tulburări ale țesuturilor, care au nevoie de multă energie. Acestea includ în special celulele nervoase, musculare, cardiace, renale și hepatice. Simptome precum slăbiciune musculară sau semne de leziuni ale creierului apar adesea chiar și la o vârstă fragedă, dacă nu chiar în momentul nașterii. De asemenea, vorbește un pronunțat Acidoză lactică (O supra-acidificare a organismului cu lactat, care se acumulează deoarece piruvatul nu poate fi defalcat suficient în ciclul acidului citric). Organele interne pot, de asemenea, să funcționeze defectuos.

Diagnosticul și terapia bolilor de respirație celulară trebuie realizate de specialiști, deoarece tabloul clinic poate fi foarte divers și diferit. În ziua de azi este încă nici o terapie cauzală și curativă dă. Bolile nu pot fi tratate decât simptomatic.

Deoarece ADN-ul mitocondrial este transmis de la mamă la copii într-un mod foarte complicat, femeile care suferă de o boală a respirației celulare ar trebui să consulte un specialist dacă doresc să aibă copii, deoarece numai ei pot estima probabilitatea moștenirii.