Respirația celulară la om

definiție

Respirația celulară, numită și aerobă (din greaca veche „aer” - aer), descrie defalcarea substanțelor nutritive precum glucoza sau acizii grași la oameni folosind oxigen (O2) pentru a genera energie, care este necesară pentru supraviețuirea celulelor. În acest proces, substanțele nutritive sunt oxidate, adică degajă electroni, în timp ce 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 prepararea părului și chiar digestia necesită energie pentru a funcționa.

În plus, corpul are nevoie de oxigen pentru a supraviețui. Respirația celulară are o importanță deosebită aici. Cu ajutorul acestui și a oxigenului gazos, este posibil ca organismul să ardă substanțe bogate în energie și să obțină energia necesară de la acestea. Oxigenul în sine nu ne furnizează energie, dar este necesar pentru a efectua procesele de ardere chimică în organism și, prin urmare, este esențial pentru supraviețuirea noastră.

Corpul cunoaște multe tipuri diferite de purtători de energie:

• Glucoza (zahărul) este principalul purtător de energie și elementul de bază, precum și produsul final despărțit de toate alimentele cu amidon
• Acizii grași și glicerina sunt produsele finale ale descompunerii grăsimilor și pot fi de asemenea utilizate în producția de energie
• Ultimul grup de purtători de energie sunt aminoacizii, care sunt rămași ca produs al descompunerii proteinelor. După o anumită transformare în corp, acestea pot fi folosite și în respirația celulară și astfel pentru generarea de energie

Citiți mai multe despre acest sub Exerciții și arderea grăsimilor

Cea mai comună sursă de energie utilizată de corpul uman este glucoza. Există un lanț de reacții care duc în cele din urmă la produsele CO2 și H2O cu consumul de oxigen. Acest proces include Glicoliza, asa ca Divizarea glucozei și transferul produsului, Piruvat prin pasul intermediar al Acetil-CoA în Ciclul acidului citric (Sinonim: ciclul acidului citric sau ciclul Krebs). Produsele de descompunere ale altor substanțe nutritive, cum ar fi aminoacizii sau acizii grași, de asemenea, curg în acest ciclu. Se numește procesul prin care acizii grași sunt „descompuși” astfel încât să poată curge și în ciclul acidului citric Oxidarea beta.

Prin urmare, ciclul acidului citric este un fel de punct de intrare în care toate sursele de energie pot fi alimentate în metabolismul energetic. Ciclul are loc în Mitocondriile în schimb, „centralele energetice” ale celulelor umane.

În timpul tuturor acestor procese, o cantitate de energie este consumată sub formă de ATP, dar a fost deja obținută, așa cum este cazul, de exemplu, în glicoliză. În plus, există predominant alte depozite intermediare de energie (de exemplu, NADH, FADH2) care își îndeplinesc funcția doar de depozite intermediare de energie în timpul producerii de energie. Aceste molecule intermediare de stocare curg apoi în ultima etapă a respirației celulare, și anume etapa fosforilării oxidative, cunoscută și sub numele de lanț respirator. Acesta este pasul către care toate procesele au funcționat până acum. Lanțul respirator, care are loc și în mitocondrie, constă, de asemenea, din mai multe etape, în care purtătorul de energie universal ATP este apoi obținut din moleculele de stocare intermediare bogate în energie. În total, defalcarea 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 un rol foarte interesant aici. Acestea funcționează ca pompe care pompează protoni (ioni H +) în cavitatea membranei duble mitocondriale în timp ce consumă moleculele de stocare intermediare, astfel încât există o concentrație mare de protoni acolo. Acest lucru determină un gradient de concentrație între spațiul intermembranar și matricea mitocondrială. Cu ajutorul acestui gradient, există în cele din urmă o moleculă proteică care funcționează într-un mod similar cu un tip de turbină cu apă. Condusă de acest gradient în protoni, proteina sintetizează o moleculă de ATP dintr-un grup ADP și fosfat.

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

ATP

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

Dacă energia moleculei ATP este consumată, adenozin difosfatul (ADP) este creat din ATP, prin care se separă un grup fosfat al moleculei și se eliberează energie. Respirația celulară sau generarea de energie servește scopului de regenerare continuă a ATP din așa-numitul ADP, astfel încât organismul să îl poată utiliza din nou.

Ecuația de reacție

Datorită faptului că acizii grași sunt de lungimi diferite și că aminoacizii au și structuri foarte diferite, nu este posibil să se stabilească o ecuație simplă pentru ca aceste două grupuri să caracterizeze cu precizie randamentul lor energetic în respirația celulară. Deoarece fiecare modificare structurală poate determina în ce etapă a ciclului citratului curge aminoacidul.
Defalcarea acizilor grași în așa-numita oxidare beta depinde de lungimea lor. Cu cât acizii grași sunt mai lungi, cu atât se poate obține mai multă energie din aceștia. Acest lucru variază între acizii grași saturați și nesaturați, acizii grași nesaturați furnizând minim mai puțină energie, cu condiția să aibă aceeași cantitate.

Din motivele menționate deja, o ecuație poate fi cel mai bine descrisă pentru defalcarea glucozei. O moleculă de glucoză (C6H12O6) și 6 molecule de oxigen (O2) au ca rezultat un total de 6 molecule de dioxid de carbon (CO2) și 6 molecule de apă (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 devin 6 CO2 + 6 H2O

Ce este glicoliza?

Glicoliza descrie defalcarea glucozei, adică a zahărului din struguri. Această cale metabolică are loc atât în ​​celulele umane, cât și în altele, de exemplu drojdie în timpul fermentării. Locul în care celulele efectuează glicoliza se află în citoplasmă. Aici sunt prezente enzime care accelerează reacțiile de glicoliză pentru a sintetiza ATP direct și a furniza substraturi 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 mitocondrie, reprezintă calea de descompunere a glucozei simple de zahăr către 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, se utilizează 2 ATP pe moleculă de glucoză în glicoliză pentru a putea efectua reacțiile. Cu toate acestea, se obțin 4 ATP, astfel încât să existe efectiv un câștig net de 2 molecule de ATP.

Glicoliza zece etape 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-bisfosfat cu ajutorul a doi fosfați și a unei rearanjări. Acest zahăr activ este acum împărțit în două molecule cu câte trei atomi de carbon. Mai multe rearanjări și îndepărtarea celor două grupuri de fosfați duc în cele din urmă la două piruvate. Dacă acum este disponibil oxigen (O2), piruvatul poate fi metabolizat în continuare în acetil-CoA și introdus în ciclul acidului citric. În general, glicoliza cu două molecule de ATP și două molecule de NADH + H + are un randament relativ scăzut de energie. Cu toate acestea, acesta pune bazele pentru descompunerea ulterioară a zahărului și, prin urmare, este esențial pentru producerea de ATP în respirația celulară.

În acest moment este logic să separați glicoliza aerobă și anaerobă. Glicoliza aerobă duce la piruvatul descris mai sus, care poate fi apoi utilizat pentru a genera energie.
În schimb, glicoliza anaerobă, care are loc în condiții de deficit 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 ea însăși bogată în energie și ar curge și în ciclul Krebs în condiții aerobe. Cu toate acestea, molecula mamă NAD + este necesară pentru menținerea glicolizei. Acesta este motivul pentru care corpul „mușcă” „mărul acru” aici și transformă această moleculă cu energie ridicată în forma sa originală. Piruvatul este utilizat pentru a efectua reacția. Din piruvat se formează așa-numitul lactat sau acid lactic.

Citiți mai multe despre acest sub

• Lactat
• Pragul anaerob

Ce 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 regenerare a echivalenților de reducere (NADH + H + și FADH2) care se creează. Aceasta creează purtătorul universal de energie ATP (adenozin trifosfat). La fel ca ciclul acidului citric, lanțul respirator este situat în mitocondrii, care sunt, prin urmare, denumite și „centrale electrice ale celulei”. Lanțul respirator este format din cinci complexe enzimatice care sunt încorporate în membrana mitocondrială internă. Primele două complexe enzimatice regenerează fiecare NADH + H + (sau FADH2) în NAD + (sau FAD). În timpul oxidării NADH + H +, patru protoni sunt transportați din spațiul matricei în spațiul intermembranar. Doi protoni sunt, de asemenea, pompate în spațiul intermembranar în fiecare dintre următoarele trei complexe enzimatice. Acest lucru creează un gradient de concentrație care este utilizat pentru a produce ATP. În acest scop, protonii curg din spațiul intermembranar printr-o ATP sintază înapoi în spațiul matricei. Energia eliberată este utilizată pentru a produce în cele din urmă ATP din ADP (adenozin difosfat) și fosfat. O altă sarcină a lanțului respirator este de a intercepta electronii generați de oxidarea echivalenților de reducere. Acest lucru se face prin transferarea electronilor în oxigen. Prin reunirea electronilor, protonilor și oxigenului, apa normală este creată în al patrulea complex enzimatic (citocrom c oxidază). Acest lucru explică, de asemenea, de ce lanțul respirator poate avea loc numai atunci când există suficient oxigen.

Care sunt sarcinile mitocondriilor în respirația celulară?

Mitocondriile sunt organite 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 (adenozin trifosfat). Acesta este un purtător de energie universal care este necesar în întregul organism uman. Compartimentarea mitocondriilor este o condiție prealabilă pentru respirația celulară. Aceasta înseamnă că există spații de reacție separate în mitocondrie. Acest lucru este realizat de o membrană interioară și exterioară, astfel încât există un spațiu intermembranar și un spațiu interior al matricei.

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

ATP sintaza este ultima enzimă din lanțul respirator, unde ATP este produs în cele din urmă. Conduși de diferența de concentrație, protonii curg din spațiul intermembranar prin ATP sintază în spațiul matricei. Acest flux de încărcare pozitivă eliberează energie care este utilizată pentru a produce ATP din ADP (adenozin difosfat) și fosfat. Mitocondriile sunt potrivite în special pentru lanțul respirator, deoarece au două spații de reacție datorită membranei duble. În plus, în mitocondrie au loc multe căi metabolice (glicoliză, ciclul acidului citric), care furnizează materiile prime (NADH + H +, FADH2) pentru lanțul respirator. Această proximitate spațială este un alt avantaj și face mitocondriile locul ideal pentru respirația celulară.

Aici puteți afla totul despre subiectul lanțului respirator

Bilanțul energetic

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

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

(Din motive de claritate, ADP și reziduul de fosfat Pi au fost omise din educte)

În condiții anaerobe, adică lipsa de oxigen, ciclul acidului citric nu poate funcționa 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 se obține pe moleculă de glucoză, așa cum ar fi cazul glicolizei aerobe.

Boli legate de respirația celulară

Respirația celulară este esențială pentru supraviețuire, adică multe mutații ale genelor care codifică proteinele respirației celulare, de exemplu enzimele glicolizei, sunt letale (fatal) sunteți. Cu toate acestea, apar boli genetice ale respirației celulare. Acestea pot proveni din ADN-ul nuclear, precum și din ADN-ul mitocondrial. Mitocondriile în sine conțin propriul lor material genetic, care este necesar pentru respirația celulară. Cu toate acestea, aceste boli prezintă simptome similare, întrucât 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 afectare a creierului apar adesea chiar la o vârstă fragedă, dacă nu în momentul nașterii. De asemenea, vorbește un pronunțat Acidoza lactică (O supraacidificare a corpului 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 respirației celulare ar trebui preluate de specialiști, deoarece tabloul clinic se poate dovedi foarte divers și diferit. Încă de astăzi este încă fără terapie cauzală și curativă dă. Bolile pot fi tratate doar 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 contacteze un specialist dacă doresc să aibă copii, deoarece doar ei pot estima probabilitatea de moștenire.