Šūnu elpošana cilvēkiem

definīcija

Šūnu elpošana, saukta arī par aerobo (no seno grieķu valodas "aer" - gaiss), apraksta tādu uzturvielu kā glikozes vai taukskābju sadalījumu cilvēkiem, izmantojot skābekli (O2) enerģijas ražošanai, kas nepieciešama šūnu izdzīvošanai. Šajā procesā barības vielas tiek oksidētas, t.i., tās izdala elektronus, savukārt skābeklis ir samazināts, kas nozīmē, ka tas pieņem elektronus. Gala produkti, kas rodas no skābekļa un barības vielām, ir oglekļa dioksīds (CO2) un ūdens (H2O).

Šūnu elpošanas funkcija un uzdevumi

Visiem cilvēka ķermeņa procesiem nepieciešama enerģija. Vingrinājumi, smadzeņu darbība, sirdsdarbība, siekalu vai matu veidošana un pat gremošana prasa visu darbību.

Turklāt ķermenim ir nepieciešams skābeklis, lai izdzīvotu. Šūnu elpošana šeit ir īpaši svarīga. Ar šī un gāzes skābekļa palīdzību organismam ir iespējams sadedzināt ar enerģiju bagātīgas vielas un iegūt no tām nepieciešamo enerģiju. Skābeklis pats par sevi nesniedz enerģiju, bet tas ir nepieciešams ķīmisko sadegšanas procesu veikšanai organismā, un tāpēc tas ir būtisks mūsu izdzīvošanai.

Ķermenis zina daudz dažādu enerģijas nesēju veidu:

• Glikoze (cukurs) ir galvenais enerģijas nesējs un pamatelements, kā arī gala produkts, kas sadalīts no visiem cietes saturošiem pārtikas produktiem
• Taukskābes un glicerīns ir tauku sadalīšanās galaprodukti, un tos var izmantot arī enerģijas ražošanā
• Pēdējā enerģijas nesēju grupa ir aminoskābes, kas paliek pāri kā olbaltumvielu sadalīšanās produkts. Pēc noteiktas transformācijas ķermenī tos var izmantot arī šūnu elpošanā un tādējādi enerģijas ražošanā

Lasiet vairāk par šo sadaļā Vingrojumi un tauku dedzināšana

Visizplatītākais enerģijas avots, ko izmanto cilvēka ķermenis, ir glikoze. Pastāv reakciju ķēde, kas galu galā rada skābekļa patēriņa produktus CO2 un H2O. Šis process ietver Glikolīze, tātad Glikozes sadalīšana un produkta nodošana Piruvāts izmantojot starpposmu Acetil-CoA iekš Citronskābes cikls (Sinonīms: citronskābes cikls vai Krebsa cikls). Šajā ciklā ieplūst arī citu uzturvielu, piemēram, aminoskābju vai taukskābju, sadalīšanās produkti. Tiek saukts process, kurā taukskābes tiek “sadalītas”, lai tās varētu ieplūst arī citronskābes ciklā Beta oksidēšana.

Tāpēc citronskābes cikls ir sava veida ieplūdes punkts, kurā visus enerģijas avotus var ievadīt enerģijas metabolismā. Cikls notiek Mitohondrija tā vietā cilvēka šūnu "enerģijas spēkstacijas".

Visu šo procesu laikā daļa enerģijas tiek patērēta ATP formā, bet tā jau ir iegūta, kā tas notiek, piemēram, glikolīzē. Turklāt pārsvarā ir arī citi starpproduktu enerģijas krājumi (piemēram, NADH, FADH2), kas enerģijas ražošanas starpposma funkciju pilda tikai enerģijas ražošanas laikā. Šīs starpposma uzglabāšanas molekulas pēc tam ieplūst šūnas elpošanas pēdējā posmā, proti, oksidatīvās fosforilēšanas posmā, kas pazīstams arī kā elpošanas ķēde. Tas ir solis, uz kuru visi procesi ir darbojušies līdz šim. Elpošanas ķēde, kas norisinās arī mitohondrijos, sastāv arī no vairākiem posmiem, kuros pēc tam no enerģijas bagātām starpposma uzglabāšanas molekulām iegūst universālu enerģijas nesēju ATP. Kopumā vienas glikozes molekulas sadalīšanās rezultātā kopumā rodas 32 ATP molekulas.

Īpaši interesentiem

Elpošanas ķēde satur dažādus olbaltumvielu kompleksus, kuriem šeit ir ļoti interesanta loma. Tie darbojas kā sūkņi, kas protonus (H + jonus) iesūc mitohondriju dubultās membrānas dobumā, vienlaikus patērējot starpposma uzglabāšanas molekulas, tāpēc tur ir augsta protonu koncentrācija. Tas izraisa koncentrācijas gradientu starp starpmembrānas telpu un mitohondriju matricu. Ar šī gradienta palīdzību galu galā ir olbaltumvielu molekula, kas darbojas līdzīgi kā kāda veida ūdens turbīna. Šāds gradients protonos virza, olbaltumviela sintezē ATP molekulu no ADP un fosfātu grupas.

Plašāku informāciju varat atrast šeit: Kāda ir elpošanas ķēde?

ATP

The Adenozīna trifosfāts (ATP) ir cilvēka ķermeņa enerģijas nesējs. Visa enerģija, kas rodas no šūnu elpošanas, sākotnēji tiek uzkrāta ATP formā. Ķermenis enerģiju var izmantot tikai tad, ja tā ir ATP molekulas formā.

Ja ATP molekulas enerģija tiek izlietota, no ATP tiek izveidots adenozīna difosfāts (ADP), ar kuru molekulas fosfāta grupa tiek sadalīta un izdalās enerģija. Šūnu elpošana vai enerģijas ģenerēšana kalpo nolūkam nepārtraukti atjaunot ATP no tā sauktā ADP, lai organisms to varētu atkal izmantot.

Reakcijas vienādojums

Sakarā ar to, ka taukskābju garums ir atšķirīgs un aminoskābēm ir arī ļoti atšķirīga struktūra, šīm divām grupām nav iespējams izveidot vienkāršu vienādojumu, lai precīzi raksturotu to enerģijas daudzumu šūnu elpošanā. Tā kā katra strukturālā izmaiņa var noteikt, kurā citrāta cikla posmā plūst aminoskābe.
Taukskābju sadalījums tā sauktajā beta oksidācijā ir atkarīgs no to garuma. Jo ilgāk taukskābes, jo vairāk no tām var iegūt enerģiju. Tas mainās starp piesātinātajām un nepiesātinātajām taukskābēm, un nepiesātinātās taukskābes nodrošina minimāli mazāk enerģijas, ja vien tām ir vienāds daudzums.

Jau minēto iemeslu dēļ vienādojumu vislabāk var aprakstīt glikozes sadalīšanai. Glikozes molekulas (C6H12O6) un 6 skābekļa molekulas (O2) rezultātā tiek iegūtas 6 oglekļa dioksīda molekulas (CO2) un 6 ūdens molekulas (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 kļūst par 6 CO2 + 6 H2O

Kas ir glikolīze?

Glikolīze apraksta glikozes, t.i., vīnogu cukura sadalījumu. Šis metabolisma ceļš notiek gan cilvēka šūnās, gan citās, piemēram, raugā fermentācijas laikā. Vieta, kur šūnas veic glikolīzi, atrodas citoplazmā. Šeit ir fermenti, kas paātrina glikolīzes reakcijas, lai gan tieši sintezētu ATP, gan nodrošinātu substrātus citronskābes ciklam. Šis process rada enerģiju divu ATP molekulu un divu NADH + H + molekulu veidā. Glikolīze kopā ar citronskābes ciklu un elpošanas ķēdi, kas abi atrodas mitohondrijā, attēlo vienkāršā cukura glikozes sadalīšanās ceļu uz universālo enerģijas nesēju ATP. Glikolīze notiek visu dzīvnieku un augu šūnu citosolā. . Glikolīzes galaprodukts ir piruvāts, ko pēc tam ar starpposma palīdzību var ievadīt citronskābes ciklā.

Kopumā glikolīzē uz vienu glikozes molekulu tiek izmantoti 2 ATP, lai varētu veikt reakcijas. Tomēr tiek iegūti 4 ATP, tādējādi faktiski iegūstot 2 ATP molekulu tīro ieguvumu.

Glikolīze desmit reakcijas posmos, līdz cukurs ar 6 oglekļa atomiem pārvēršas par divām piruvāta molekulām, no kurām katra sastāv no trim oglekļa atomiem. Pirmajos četros reakcijas posmos cukurs tiek pārveidots par fruktozi-1,6-bifosfātu ar divu fosfātu un pārkārtošanas palīdzību. Šis aktivētais cukurs tagad ir sadalīts divās molekulās ar trim oglekļa atomiem katrā. Turpmāka pārkārtošanās un divu fosfātu grupu noņemšana galu galā rada divus piruvātus. Ja tagad ir pieejams skābeklis (O2), piruvātu var tālāk metabolizēt par acetil-CoA un ievadīt citronskābes ciklā. Kopumā glikolīzei ar divām ATP molekulām un divām NADH + H + molekulām ir relatīvi zema enerģijas raža. Tomēr tas ir pamats turpmākam cukura sadalījumam, un tāpēc tas ir būtisks ATP ražošanai šūnu elpošanā.

Šajā brīdī ir jēga nošķirt aerobo un anaerobo glikolīzi. Aerobā glikolīze noved pie iepriekš aprakstītā piruvāta, ko pēc tam var izmantot enerģijas ražošanai.
Savukārt anaerobā glikolīze, kas notiek skābekļa deficīta apstākļos, piruvātu vairs nevar izmantot, jo citronskābes ciklam nepieciešams skābeklis. Glikolīzes kontekstā tiek izveidota arī starpkrātuves molekula NADH, kas pati ir bagāta ar enerģiju un arī aerobos apstākļos ieplūstu Krebsa ciklā. Tomēr sākotnējā molekula NAD + ir nepieciešama, lai uzturētu glikolīzi. Tāpēc ķermenis šeit “iekož” “skābo ābolu” un pārvērš šo augstas enerģijas molekulu sākotnējā formā. Reakcijas veikšanai izmanto piruvātu. No piruvāta tiek veidots tā sauktais laktāts vai pienskābe.

Lasiet vairāk par šo sadaļā

• Laktāts
• Anaerobais slieksnis

Kāda ir elpošanas ķēde?

Elpošanas ķēde ir glikozes sadalīšanās ceļa pēdējā daļa. Pēc tam, kad cukurs ir metabolizēts glikolīzē un citronskābes ciklā, elpošanas ķēdei ir izveidoto reducēšanās ekvivalentu (NADH + H + un FADH2) reģenerācijas funkcija. Tas rada universālo enerģijas nesēju ATP (adenozīna trifosfātu). Tāpat kā citronskābes cikls, elpošanas ķēde atrodas mitohondrijos, tāpēc tos sauc arī par “šūnas spēkstacijām”. Elpošanas ķēde sastāv no pieciem enzīmu kompleksiem, kas ir iestrādāti iekšējā mitohondriju membrānā. Pirmie divi enzīmu kompleksi katrs atjauno NADH + H + (vai FADH2) līdz NAD + (vai FAD). NADH + H + oksidēšanās laikā četri protoni tiek transportēti no matricas telpas starpmembrānas telpā. Divi protoni tiek iesūknēti arī starpmembrānas telpā katrā no šiem trim fermentu kompleksiem. Tas rada koncentrācijas gradientu, ko izmanto ATP ražošanai. Šim nolūkam protoni no starpmembrānas telpas caur ATP sintāzi plūst atpakaļ matricas telpā. Atbrīvoto enerģiju izmanto, lai galu galā ražotu ATP no ADP (adenozīna difosfāta) un fosfāta. Vēl viens elpošanas ķēdes uzdevums ir pārtvert elektronus, ko rada reducēšanās ekvivalentu oksidēšana. Tas tiek darīts, elektronus pārnesot uz skābekli. Apvienojot elektronus, protonus un skābekli, ceturtajā enzīmu kompleksā (citohroma c oksidāzē) tiek izveidots normāls ūdens. Tas arī izskaidro, kāpēc elpošanas ķēde var notikt tikai tad, ja ir pietiekami daudz skābekļa.

Kādi ir mitohondriju uzdevumi šūnu elpošanā?

Mitohondriji ir organelli, kas sastopami tikai eikariotu šūnās. Tos sauc arī par “šūnas spēkstacijām”, jo tieši tajos notiek šūnu elpošana. Šūnu elpošanas galaprodukts ir ATP (adenozīna trifosfāts). Tas ir universāls enerģijas nesējs, kas nepieciešams visam cilvēka organismam. Mitohondriju sadalīšana pa daļām ir šūnu elpošanas priekšnoteikums. Tas nozīmē, ka mitohondrijā ir atsevišķas reakcijas telpas. To panāk ar iekšējo un ārējo membrānu, lai būtu starpmembrānu telpa un iekšējā matricas telpa.

Elpošanas ķēdes gaitā protoni (ūdeņraža joni, H +) tiek transportēti starpmembrānas telpā, tāpēc rodas protonu koncentrācijas atšķirība. Šie protoni nāk no dažādiem reducēšanas ekvivalentiem, piemēram, NADH + H + un FADH2, kas tādējādi tiek atjaunoti līdz NAD + un FAD.

ATP sintāze ir pēdējais ferments elpošanas ķēdē, kur galu galā tiek ražots ATP. Koncentrācijas atšķirības vadīti, protoni plūst no starpmembrānas telpas caur ATP sintāzi matricas telpā. Šī pozitīvā lādiņa plūsma atbrīvo enerģiju, kas tiek izmantota ATP ražošanai no ADP (adenozīna difosfāta) un fosfāta. Mitohondriji ir īpaši piemēroti elpošanas ķēdei, jo dubultās membrānas dēļ tiem ir divas reakcijas vietas. Turklāt mitohondrijā notiek daudzi metabolisma ceļi (glikolīze, citronskābes cikls), kas nodrošina izejmateriālus (NADH + H +, FADH2) elpošanas ķēdei. Šis telpiskais tuvums ir vēl viena priekšrocība, un tas padara mitohondriju par ideālu vietu šūnu elpošanai.

Šeit jūs varat uzzināt visu par elpošanas ķēdes tēmu

Enerģijas bilance

Šūnu elpošanas enerģijas bilanci glikozes gadījumā var apkopot šādi, veidojot 32 ATP molekulas uz glikozi:

C6H12O6 + 6 O2 kļūst par 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Skaidrības labad ADP un fosfāta atlikums Pi ir izlaisti no izglītības)

Anaerobos apstākļos, t.i., skābekļa trūkumā, citronskābes cikls nevar darboties, un enerģiju var iegūt tikai ar aerobo glikolīzi:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP kļūst par 2 laktātiem + 2 ATP. + 2 H2O. Tātad uz glikozes molekulu iegūst tikai aptuveni 6% no proporcijas, kā tas būtu gadījumā ar aerobo glikolīzi.

Slimības, kas saistītas ar šūnu elpošanu

The Šūnu elpošana ir būtiska izdzīvošanai, t.i., ka daudzas gēnu mutācijas, kas kodē šūnu elpošanas olbaltumvielas, piemēram, glikolīzes enzīmi, ir letālas (letāls) ir. Tomēr rodas šūnu elpošanas ģenētiskās slimības. Tās var rasties no kodola DNS, kā arī no mitohondriju DNS. Paši mitohondriji satur savu ģenētisko materiālu, kas nepieciešams šūnu elpošanai. Tomēr šīm slimībām ir līdzīgi simptomi, jo tām visām ir viena kopīga iezīme: tās iejaucas šūnu elpošanā un to izjauc.

Šūnu elpceļu slimības bieži parāda līdzīgus klīniskos simptomus. Šeit tas ir īpaši svarīgi Traucējumi audos, kurām nepieciešams daudz enerģijas. Tās jo īpaši ietver nervu, muskuļu, sirds, nieru un aknu šūnas. Simptomi, piemēram, muskuļu vājums vai smadzeņu bojājumu pazīmes, bieži rodas pat jaunā vecumā, ja ne dzimšanas brīdī. Runā arī izteikti Pienskābes acidoze (Pārmērīga ķermeņa paskābināšanās ar laktātu, kas uzkrājas, jo piruvātu citronskābes ciklā nevar pietiekami sadalīt). Iekšējie orgāni var arī nedarboties.

Šūnu elpošanas slimību diagnostika un terapija jāpārņem speciālistiem, jo ​​klīniskā aina var izrādīties ļoti dažāda un atšķirīga. No šodienas tas joprojām ir nav cēloņsakarības un ārstnieciskās terapijas dod. Slimības var ārstēt tikai simptomātiski.

Tā kā mitohondriju DNS no mātes bērniem tiek nodots ļoti sarežģīti, sievietēm, kuras cieš no šūnu elpošanas slimības, jāgriežas pie speciālista, ja viņas vēlas iegūt bērnus, jo tikai viņas var novērtēt mantojuma varbūtību.