Cellandning hos människor

definition

Cellandning, även kallad aerob (från forntida grekiska "aer" - luft), beskriver nedbrytningen av näringsämnen som glukos eller fettsyror hos människor som använder syre (O2) för att generera energi, vilket är nödvändigt för cellernas överlevnad. I processen oxideras näringsämnena, dvs. de avger elektroner medan syre reduceras, vilket innebär att det tar emot elektroner. Slutprodukterna som härrör 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 alla energi för att fungera.

Dessutom behöver kroppen syre för att överleva. Cellandning är särskilt viktigt här. Med hjälp av detta och gassyret är det möjligt för kroppen att bränna energirika ämnen och få den erforderliga energin från dem. Syre i sig ger oss ingen energi, men det krävs för att genomföra de kemiska förbränningsprocesserna i kroppen och är därför viktigt för vår överlevnad.

Kroppen känner till många olika typer av energibärare:

• Glukos (socker) är den huvudsakliga energibäraren och grundläggande byggstenen samt slutprodukten delad från alla stärkelserika livsmedel
• Fettsyror och glycerin är slutprodukterna för nedbrytningen av fetter och kan också användas i energiproduktion
• Den sista gruppen energibärare är aminosyrorna, som är 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 kedja av reaktioner som i slutändan leder till att produkterna CO2 och H2O med syreförbrukning. Denna process inkluderar Glykolys, så Uppdelning av glukos och överföringen av produkten, Pyruvat via mellansteget i Acetyl-CoA i Citronsyracykel (Synonym: citronsyracykel eller Krebs-cykel). Nedbrytningsprodukterna av andra näringsämnen som aminosyror eller fettsyror flyter också in i denna cykel. Processen där fettsyrorna "bryts ner" så att de också kan strömma in i citronsyracykeln kallas Betaoxidation.

Citronsyracykeln är därför ett slags inloppspunkt där alla energikällor kan matas in i energimetabolismen. Cykeln äger rum i Mitokondrier istället "energikraftverk" för mänskliga celler.

Under alla dessa processer förbrukas en del energi i form av ATP, men den har redan erhållits, som exempelvis är fallet vid glykolys. Dessutom finns det övervägande andra mellanliggande energilagrar (t.ex. NADH, FADH2) som endast fullgör sin funktion som mellanliggande energilagrar under energiproduktion. Dessa mellanlagringsmolekyler flyter sedan in i det sista steget i cellandningen, nämligen steget med 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 den allmänna energibäraren ATP sedan erhålls från de energirika mellanlagringsmolekylerna. Totalt resulterar nedbrytningen av en glukosmolekyl i totalt 32 ATP-molekyler.

För de särskilt intresserade

Andningskedjan innehåller olika proteinkomplex som spelar en mycket intressant roll här. De fungerar som pumpar som pumpar protoner (H + -joner) in i det mitokondriella dubbla membranets hålighet medan de konsumerar mellanlagringsmolekylerna, så att det finns en hög koncentration av protoner där. Detta orsakar en koncentrationsgradient mellan det intermembrana utrymmet och den mitokondriella matrisen. Med hjälp av denna gradient finns det i slutändan en proteinmolekyl som fungerar på samma sätt som en typ av vattenturbin. Drivs av denna gradient i protoner, syntetiserar proteinet en ATP-molekyl från en ADP och en fosfatgrupp.

Du hittar mer information här: Vad är andningskedjan?

ATP

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

Om ATP-molekylens energi förbrukas skapas adenosindifosfat (ADP) från ATP, varigenom en fosfatgrupp i molekylen delas av och energi frigörs. Cellandning eller energiproduktion tjänar syftet att kontinuerligt regenerera ATP från den så kallade ADP så att kroppen kan använda den igen.

Reaktionsekvation

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

Av de skäl som redan nämnts kan en ekvation bäst beskrivas för nedbrytning av glukos. En glukosmolekyl (C6H12O6) och 6 syremolekyler (O2) resulterar i totalt 6 koldioxidmolekyler (CO2) och 6 vattenmolekyler (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 blir 6 CO2 + 6 H2O

Vad är glykolys?

Glykolys beskriver nedbrytningen av glukos, dvs. druvsocker. Denna metaboliska väg sker i mänskliga celler såväl som i andra, t.ex. jäst under jäsning. Platsen där cellerna utför glykolys är i cytoplasman. Här finns enzymer som accelererar glykolysreaktionerna för att både syntetisera ATP direkt och ge substraten för citronsyracykeln. Denna process skapar energi i form av två ATP-molekyler och två NADH + H + -molekyler. Glykolys, tillsammans med citronsyracykeln och andningskedjan, som båda är belägna i mitokondrion, representerar nedbrytningsvägen för den enkla sockerglukos till den universella energibäraren ATP. Glykolys sker i cytosolen i alla djur- och växtceller . Slutprodukten av glykolys är pyruvat, som sedan kan införas i citronsyracykeln via ett mellansteg.

Totalt används 2 ATP per glukosmolekyl i glykolys för att kunna genomföra reaktionerna. Emellertid erhålls 4 ATP, så att det faktiskt finns en nettovinst på 2 ATP-molekyler.

Glykolys tio reaktionssteg tills ett socker med 6 kolatomer förvandlas till två pyruvatmolekyler, 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 omläggning. Detta aktiverade socker är nu uppdelat i två molekyler med tre kolatomer vardera. Ytterligare omläggningar och avlägsnande av de två fosfatgrupperna resulterar i slutändan i två pyruvat. Om syre (O2) nu är tillgängligt kan pyruvat metaboliseras ytterligare till acetyl-CoA och införas i citronsyracykeln. Sammantaget har glykolys med två ATP-molekyler och två NADH + H-molekyler ett relativt lågt energiutbyte. Det lägger dock grunden för ytterligare sönderdelning och är därför viktigt för produktion av ATP i cellandning.

Vid denna tidpunkt är det vettigt att separera aerob och anaerob glykolys. Aerob glykolys leder till det ovan beskrivna pyruvatet, som sedan kan användas för att generera energi.
Däremot kan den anaeroba glykolysen, som äger rum under förhållanden med syrebrist, inte längre användas pyruvat eftersom citronsyracykeln kräver syre. I samband med glykolys skapas också den mellanliggande lagringsmolekylen NADH, som i sig själv är rik på energi och också skulle flyta in i Krebs-cykeln under aeroba förhållanden. Föräldermolekylen NAD + är emellertid 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 laktaten 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 glykolysen och citronsyracykeln har andningskedjan funktionen att regenerera de reduktionsekvivalenter (NADH + H + och FADH2) som skapas. Detta skapar den universella energibäraren ATP (adenosintrifosfat). Liksom citronsyracykeln är andningskedjan belägen i mitokondrierna, som därför också kallas "cellens kraftverk". Andningskedjan består av fem enzymkomplex som är inbäddade i det inre mitokondriella membranet. De två första enzymkomplexen regenererar vardera NADH + H + (eller FADH2) till NAD + (eller FAD). Under oxidationen av NADH + H + transporteras fyra protoner från matrisutrymmet till det intermembrana utrymmet. Två protoner pumpas också in i mellanrummet i vart och ett av följande tre enzymkomplex. Detta skapar en koncentrationsgradient som används för att producera ATP. För detta ändamål strömmar protoner från det intermembrana utrymmet genom ett ATP-syntas tillbaka in i matrisutrymmet. Den frigjorda energin används för att äntligen producera ATP från ADP (adenosindifosfat) och fosfat. En annan uppgift för andningskedjan är att fånga upp de elektroner som genereras av oxidationen av reduktionsekvivalenterna. Detta görs genom att överföra elektronerna till syre. Genom att sammanföra elektroner, protoner och syre skapas normalt vatten i det fjärde enzymkomplexet (cytokrom c-oxidas). Detta förklarar också varför andningskedjan bara kan äga rum när det finns tillräckligt med syre.

Vilka är mitokondriernas uppgifter vid cellandning?

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

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

ATP-syntas är det sista enzymet i andningskedjan, där ATP slutligen produceras. Driven av skillnaden i koncentration strömmar protonerna från det intermembrana utrymmet genom ATP-syntas 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 metaboliska vägar (glykolys, citronsyracykel) som ger utgångsmaterialen (NADH + H +, FADH2) för andningskedjan i mitokondrion. Denna rumsliga närhet är en annan fördel och gör mitokondrier till den idealiska platsen för cellandning.

Här kan du ta reda på allt om ämnet för andningskedjan

Energi balans

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

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

(För tydlighets skull har ADP och fosfatresten Pi utelämnats från lärarna)

Under anaeroba förhållanden, dvs. syrebrist, kan inte citronsyracykeln gå och energi kan endast erhållas genom aerob glykolys:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP blir 2 laktat + 2 ATP. + 2 H2O. Så endast cirka 6% av andelen erhålls per glukosmolekyl, vilket skulle vara fallet med aerob glykolys.

Sjukdomar relaterade till cellulär andning

De Cellandning är viktigt för överlevnad, dvs att många mutationer i generna som kodar för proteinerna för cellandning, t.ex. enzymer av glykolys, är dödliga (dödlig) är. Men genetiska sjukdomar i cellulär andning förekommer. Dessa kan härröra från kärn-DNA såväl som från mitokondriellt DNA. Mitokondrierna själva innehåller sitt eget genetiska material, vilket är nödvändigt för cellandning. Dessa sjukdomar visar dock liknande symtom, eftersom de alla har en sak gemensamt: de ingriper i cellulär andning och stör den.

Cellulära andningssjukdomar visar 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 tidpunkten för födseln. Talar också ett uttalat Mjölksyra (En över-försurning av kroppen med laktat, som ackumuleras eftersom pyruvat inte kan brytas ner tillräckligt i citronsyracykeln). Inre organ kan också fungera felaktigt.

Diagnos och terapi av sjukdomar i cellulär andning bör tas över av specialister, eftersom den kliniska bilden kan visa sig mycket varierande och annorlunda. Från och med idag är det fortfarande ingen kausal och botande terapi ger. Sjukdomarna kan endast behandlas symtomatiskt.

Eftersom mitokondriellt DNA överförs från mamma till barn på ett mycket komplicerat sätt, bör kvinnor som lider av en sjukdom i cellandningen kontakta en specialist om de vill ha barn, eftersom bara de kan uppskatta sannolikheten för arv.