Cellulär andning hos människor

definition

Cellandning, även kallad aerob (från forntida grekisk "aer" - luft), beskriver nedbrytningen av näringsämnen som glukos eller fettsyror hos människor som använder syre (O2) för att generera energi, vilket är nödvändigt för överlevnaden av celler. Näringsämnena oxideras, d.v.s. de avger elektroner när syre reduceras, vilket innebär att den tar emot elektroner. Slutprodukterna som kommer från syre och näringsämnen är koldioxid (CO2) och vatten (H2O).

Funktion och uppgifter för cellulär andning

Alla processer i människokroppen kräver energi. Träning, hjärnfunktion, hjärtslag, saliv eller hårtillverkning och till och med matsmältning kräver allt energi för att fungera.

Dessutom behöver kroppen syre för att överleva. Cellulär andning är särskilt viktig här. Med hjälp av detta och gasens syre är det möjligt för kroppen att bränna energirika ämnen och erhålla den erforderliga energin från dem. Syre i sig ger oss ingen energi, men det behövs för att genomföra de kemiska förbränningsprocesserna i kroppen och är därför avgörande för vår överlevnad.

Kroppen känner till många olika typer av energibärare:

• Glukos (socker) är den viktigaste energikällan och den grundläggande byggstenen såväl som slutprodukten som delas från alla stärkelsefulla livsmedel
• Fettsyror och glycerin är slutprodukterna för nedbrytning av fetter och kan också användas i energiproduktion
• Den sista gruppen av energikällor är aminosyrorna som finns kvar som en produkt av proteinnedbrytning. Efter en viss transformation i kroppen kan dessa också användas vid cellandning och därmed för energiproduktion

Läs mer om detta under Motion och fettförbränning

Den vanligaste energikällan som används av människokroppen är glukos. Det finns en reaktionskedja som i slutändan leder till produkterna CO2 och H2O med konsumtion av syre. Denna process inkluderar glycolysis, så Splitsning av glukos och överföringen av produkten, pyruvat via mellansteget av Acetyl-CoA i Citronsyracykel (Synonym: citronsyrecykel eller Krebs-cykel). Nedbrytningsprodukterna från andra näringsämnen som aminosyror eller fettsyror flyter också in i denna cykel. Processen där fettsyrorna "bryts ned" så att de också kan strömma in i citronsyrecykeln kallas Betaoxidation.

Citronsyrecykeln är därför en slags inloppspunkt där alla energibärare kan matas in i energimetabolismen. Cykeln sker i mitokondrier istället mänskliga cellers "energikraftverk".

Under alla dessa processer förbrukas viss energi i form av ATP, men den erhålls redan, som exempelvis fallet i glykolys. Dessutom finns det övervägande andra mellanliggande energilagrar (t.ex. NADH, FADH2) som endast uppfyller sin funktion som mellanliggande energilagrar under energiproduktion. Dessa mellanliggande lagringsmolekyler flyter sedan in i det sista steget i cellandning, nämligen steget för oxidativ fosforylering, även känd som andningskedjan. Detta är steget mot vilket alla processer hittills har fungerat. Andningskedjan, som också äger rum i mitokondrierna, består också av flera steg i vilka de energirika mellanlagringsmolekylerna sedan används för att extrahera all-purpose energibäraren ATP. Totalt resulterar nedbrytningen av en glukosmolekyl i totalt 32 ATP-molekyler.

För de som är särskilt intresserade

Andningskedjan innehåller olika proteinkomplex som spelar en mycket intressant roll här. De fungerar som pumpar som pumpar protoner (H + -joner) i kaviteten i det mitokondriella dubbla membranet medan de konsumerar mellanlagringsmolekylerna, så att det finns en hög koncentration av protoner där. Detta orsakar en koncentrationsgradient mellan intermembranutrymmet och mitokondriell matris. Med hjälp av denna gradient finns det i slutändan en proteinmolekyl som fungerar på liknande sätt som en typ av vattenturbin. Drivet av denna gradient i protoner syntetiserar proteinet en ATP-molekyl från en ADP och en fosfatgrupp.

Du kan hitta mer information här: Vad är andningskedjan?

ATP

De Adenosintrifosfat (ATP) är människokroppens energibärare. All energi som härrör från cellulär andning lagras initialt i form av ATP. Kroppen kan bara använda energin om den är i form av ATP-molekylen.

Om energin från ATP-molekylen används upp skapas adenosindifosfat (ADP) från ATP, varigenom en fosfatgrupp i molekylen delas upp och energi frigörs. Cellulär andning eller energiproduktion tjänar syftet att kontinuerligt regenerera ATP från den så kallade ADP så att kroppen kan använda den igen.

Reaktionsekvation

På grund av det faktum att fettsyror har olika längder och att aminosyror också har mycket olika strukturer, är det inte möjligt att sätta upp en enkel ekvation för dessa två grupper för att exakt karaktärisera deras energiutbyte i cellulär andning. Eftersom varje strukturell förändring kan bestämma i vilket steg i citratcykeln aminosyran flyter.
Fördelningen av fettsyror i den så kallade beta-oxidationen beror på deras längd. Ju längre fettsyror, desto mer energi kan man få från dem. Detta varierar mellan mättade och omättade fettsyror, med omättade syror som ger minimalt mindre energi, förutsatt att de har samma mängd.

Av de redan nämnda orsakerna kan en ekvation bäst beskrivas för nedbrytning av glukos. Detta skapar totalt 6 koldioxidmolekyler (CO2) och 6 vattenmolekyler (H2O) från en glukosmolekyl (C6H12O6) och 6 syremolekyler (O2):

• C6H12O6 + 6 O2 blir 6 CO2 + 6 H2O

Vad är glykolys?

Glykolys beskriver nedbrytningen av glukos, dvs druvsocker. Denna metabola väga äger rum i mänskliga celler såväl som i andra, t.ex. för jäst under jäsning. Platsen där celler utför glykolys är i cytoplasma. Här finns enzymer som påskyndar glykolysreaktionerna för att både syntetisera ATP direkt och för att tillhandahålla underlag för citronsyracykeln. Denna process skapar energi i form av två molekyler av ATP och två molekyler av NADH + H +. Glykolys, tillsammans med citronsyrecykeln och andningskedjan, som båda är belägna i mitokondrion, representerar nedbrytningen av den enkla sockerglukosen till den universella energibäraren ATP. Glykolys sker i cytosolen i alla djur- och växtceller.Slutprodukten av glykolys är pyruvat, som sedan kan införas i citronsyrecykeln via ett mellansteg.

Totalt används 2 ATP per glukosmolekyl i glykolys för att kunna utföra reaktionerna. Emellertid erhålls 4 ATP så att det effektivt finns en nettovinst av 2 ATP-molekyler.

Glykolys tio reaktionssteg tills ett socker med 6 kolatomer förvandlas till två molekyler av pyruvat, var och en består av tre kolatomer. I de första fyra reaktionsstegen omvandlas sockret till fruktos-1,6-bisfosfat med hjälp av två fosfater och en omarrangemang. Detta aktiverade socker delas nu upp i två molekyler med tre kolatomer vardera. Ytterligare omarrangemang och borttagandet av de två fosfatgrupperna resulterar i slutändan i två pyruvater. Om syre (O2) nu är tillgängligt kan pyruvatet metaboliseras ytterligare till acetyl-CoA och införas i citronsyrecykeln. Sammantaget har glykolys med 2 molekyler ATP och två molekyler av NADH + H + ett relativt lågt energiutbyte. Det ger emellertid grunden för ytterligare sönderdelning av socker och är därför avgörande för produktion av ATP vid cellandning.

Vid denna tidpunkt är det vettigt att separera aerob och anaerob glykolys. Aerob glykolys leder till pyruvat som beskrivits ovan, som sedan kan användas för att generera energi.
Den anaeroba glykolysen, å andra sidan, som sker under förhållanden med syrebrist, kan pyruvat inte längre användas, eftersom citronsyrecykeln kräver syre. I samband med glykolys skapas också den mellanliggande lagringsmolekylen NADH, som är energirik i sig självt och även skulle strömma in i Krebs-cykeln under aeroba förhållanden. Emellertid är modermolekylen NAD + nödvändig för att upprätthålla glykolys. Det är därför kroppen "biter" det "sura äpplet" här och omvandlar denna högenergimolekyl till sin ursprungliga form. Pyruvat används för att utföra reaktionen. Den så kallade laktatet eller mjölksyran bildas av pyruvat.

Läs mer om detta under

• laktat
• Anaerob tröskel

Vad är andningskedjan?

Andningskedjan är den sista delen av glukosnedbrytningsvägen. Efter att sockret har metaboliserats i glykolys- och citronsyracykeln har andningskedjan funktionen att regenerera reduktionsekvivalenterna (NADH + H + och FADH2) som skapas. Detta skapar den universella energibäraren ATP (adenosintrifosfat). Liksom citronsyrecykeln är andningskedjan belägen i mitokondrierna, som därför också benämns "cellens kraftverk". Andningskedjan består av fem enzymkomplex som är inbäddade i det inre mitokondriella membranet. De två första enzymkomplexen regenererar var och en NADH + H + (eller FADH2) till NAD + (eller FAD). Under oxidationen av NADH + H + transporteras fyra protoner från matrisutrymmet in i intermembranutrymmet. Två protoner pumpas också in i intermembranutrymmet för följande tre enzymkomplex. Detta skapar en koncentrationsgradient som används för att producera ATP. För detta ändamål strömmar protoner från intermembranutrymmet genom ett ATP-syntas tillbaka in i matrisutrymmet. Den frigjorda energin används för att slutligen producera ATP från ADP (adenosindifosfat) och fosfat. En annan uppgift för andningskedjan är att fånga upp elektroner som alstras genom oxidation av reduktionsekvivalenterna. Detta görs genom att överföra elektronerna till syre. Genom att föra samman elektroner, protoner och syre skapas normalt vatten i det fjärde enzymkomplexet (cytokrom c-oxidas). Detta förklarar också varför andningskedjan endast kan ske när det finns tillräckligt med syre.

Vilka uppgifter har mitokondrierna i cellandning?

Mitokondrierna är organeller som endast finns i eukaryota celler. De kallas också "cellens kraftverk", eftersom det är i dem som cellandning äger rum. Slutprodukten av cellulär andning är ATP (adenosintrifosfat). Detta är en universell energibärare som krävs i hela den mänskliga organismen. Facken i mitokondrierna är en förutsättning för cellandning. Detta innebär att det finns separata reaktionsutrymmen i mitokondrionen. Detta uppnås genom ett inre och ett yttre membran så att det finns ett intermembranutrymme och ett inre matrisutrymme.

Under andningskedjan transporteras protoner (vätejoner, H +) in i intermembranutrymmet, så att en skillnad i koncentration av protoner uppstår. Dessa protoner kommer från olika reduktionsekvivalenter, såsom NADH + H + och FADH2, som därmed regenereras till NAD + och FAD.

ATP-syntas är det sista enzymet i andningskedjan, där ATP till slut produceras. Drivet av skillnaden i koncentration flyter protonerna från intermembranutrymmet genom ATP-syntaset in i matrisutrymmet. Detta flöde av positiv laddning frigör energi som används för att producera ATP från ADP (adenosindifosfat) och fosfat. Mitokondrierna är särskilt lämpliga för andningskedjan, eftersom de har två reaktionsutrymmen på grund av det dubbla membranet. Dessutom sker många metabola vägar (glykolys, citronsyrecykel), som ger utgångsmaterial (NADH + H +, FADH2) för andningskedjan, i mitokondrion. Denna rumsliga närhet är en annan fördel och gör mitokondrierna till den perfekta platsen för cellandning.

Här kan du ta reda på allt om ämnet för andningskedjan

Energi balans

Energibalansen i cellandning i fallet med glukos kan sammanfattas enligt följande med bildning av 32 ATP-molekyler per glukos:

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

(För tydlighetens skull har ADP och fosfatresterna Pi utelämnats från edukterna)

Under anaeroba förhållanden, dvs brist på syre, kan citronsyracykeln inte löpa och energi kan endast erhållas genom aerob glykolys:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP blir 2 laktat + 2 ATP. + 2 H20. Så endast cirka 6% av andelen erhålls per glukosmolekyl, vilket skulle vara fallet med aerob glykolys.

Sjukdomar relaterade till cellandning

De Cellulär andning är avgörande för överlevnadd.v.s. att många mutationer i generna som ansvarar för proteinerna i cellandning, t.ex. Enzymer av glykolys, kodning, dödlig (dödlig) är. Emellertid förekommer genetiska sjukdomar i cellandning. Dessa kan härröra från kärn-DNA eller från mitokondriell DNA. Mitokondrierna själva innehåller sitt eget genetiska material, vilket är nödvändigt för cellandning. Men dessa sjukdomar visar liknande symtom, eftersom de alla har en sak gemensamt: de ingriper i cellulär andning och stör den.

Cellulära andningssjukdomar uppvisar ofta liknande kliniska symtom. Det är särskilt viktigt här Störningar i vävnader, som behöver mycket energi. Dessa inkluderar särskilt nerv-, muskel-, hjärt-, njure- och leverceller. Symtom som muskelsvaghet eller tecken på hjärnskador uppträder ofta även i ung ålder, om inte vid födelsetid. Talar också ett uttalat Mjölksyra (En överförsurning av kroppen med laktat, som ackumuleras eftersom pyruvat inte kan brytas tillräckligt i citronsyrecykeln). Inre organ kan också fungera.

Diagnos och terapi av sjukdomar i cellulär andning bör utföras av specialister, eftersom den kliniska bilden kan vara mycket olika och annorlunda. Från idag är det fortfarande ingen kausal och botande terapi ger. Sjukdomen kan endast behandlas symptomatiskt.

Eftersom mitokondriellt DNA överförs från mor till barn på ett mycket komplicerat sätt, bör kvinnor som lider av en sjukdom i den cellulära andningen kontakta en specialist om de vill få barn, eftersom de bara kan uppskatta sannolikheten för arv ungefär.