Stanično disanje kod ljudi

definicija

Stanično disanje, koje se naziva i aerobno (od starogrčkog "aer" - zrak), opisuje razgradnju hranjivih sastojaka poput glukoze ili masnih kiselina u ljudi koji koriste kisik (O2) za stvaranje energije koja je neophodna za opstanak stanica. U tom procesu hranjive tvari se oksidiraju, tj. Odaju elektrone, dok se kisik smanjuje, što znači da prihvaća elektrone. Krajnji proizvodi koji proizlaze iz kisika i hranjivih sastojaka su ugljični dioksid (CO2) i voda (H2O).

Funkcija i zadaci staničnog disanja

Svi procesi u ljudskom tijelu zahtijevaju energiju. Vježba, rad mozga, otkucaji srca, stvaranje sline ili kose, pa čak i probava zahtijevaju energiju da bi funkcionirali.

Uz to, tijelu je potreban kisik da bi preživjelo. Stanično disanje ovdje je od posebne važnosti. Uz pomoć ovog i plinovitog kisika, tijelo može sagorjeti energetski bogate tvari i iz njih dobiti potrebnu energiju. Kisik nam sam po sebi ne daje nikakvu energiju, ali je potreban za provođenje kemijskih procesa izgaranja u tijelu i stoga je neophodan za naš opstanak.

Tijelo poznaje mnogo različitih vrsta nosača energije:

• Glukoza (šećer) je glavni nositelj energije i osnovni gradivni element, kao i krajnji proizvod koji se razdvaja od sve škrobne hrane
• Masne kiseline i glicerin krajnji su produkti razgradnje masti i također se mogu koristiti u proizvodnji energije
• Posljednja skupina nosača energije su aminokiseline, koje su preostale kao produkt razgradnje proteina. Nakon određene transformacije u tijelu, te se tad također mogu koristiti u staničnom disanju, a time i za proizvodnju energije

Pročitajte više o tome pod Vježba i sagorijevanje masti

Najčešći izvor energije koji koristi ljudsko tijelo je glukoza. Postoji lanac reakcija koje u konačnici dovode do proizvoda CO2 i H2O uz potrošnju kisika. Ovaj postupak uključuje Glikoliza, tako da Dijeljenje glukoze i prijenos proizvoda, Piruvat putem srednjeg koraka Acetil-CoA u Ciklus limunske kiseline (Sinonim: ciklus limunske kiseline ili Krebsov ciklus). U taj ciklus utječu i proizvodi razgradnje drugih hranjivih sastojaka poput aminokiselina ili masnih kiselina. Nazvan je postupak u kojem se masne kiseline "razgrađuju" kako bi mogle i teći u ciklus limunske kiseline Beta oksidacija.

Stoga je ciklus limunske kiseline svojevrsna ulazna točka gdje se svi izvori energije mogu uvesti u energetski metabolizam. Ciklus se odvija u Mitohondrije umjesto toga, "energetske elektrane" ljudskih stanica.

Tijekom svih tih procesa troši se nešto energije u obliku ATP-a, ali ona je već dobivena, kao što je to, na primjer, slučaj kod glikolize. Uz to, pretežno postoje i druge srednje zalihe energije (npr. NADH, FADH2) koje ispunjavaju svoju funkciju kao međusredne zalihe energije tijekom proizvodnje energije. Te molekule za srednje skladištenje zatim ulaze u posljednji korak staničnog disanja, odnosno u korak oksidativne fosforilacije, također poznat kao respiratorni lanac. Ovo je korak prema kojem su do sada radili svi procesi. Respiratorni lanac, koji se također odvija u mitohondrijima, također se sastoji od nekoliko koraka, u kojima se zatim od energetski bogatih molekula intermedijarnih zaliha dobiva univerzalni nosač energije ATP. Ukupno, razgradnja jedne molekule glukoze rezultira s ukupno 32 molekule ATP.

Za one posebno zainteresirane

Dišni lanac sadrži razne proteinske komplekse koji ovdje igraju vrlo zanimljivu ulogu. Djeluju kao pumpe koje pumpaju protone (ioni H +) u šupljinu dvostruke membrane mitohondrija, dok troše molekule za srednje skladištenje, tako da tamo postoji velika koncentracija protona. To uzrokuje gradijent koncentracije između intermembranskog prostora i mitohondrijskog matriksa. Uz pomoć ovog gradijenta, u konačnici postoji molekula proteina koja djeluje na sličan način kao vrsta vodene turbine. Potaknut ovim gradijentom u protonima, protein sintetizira molekulu ATP iz ADP i fosfatne skupine.

Više informacija možete pronaći ovdje: Što je dišni lanac?

ATP

The Adenozin trifosfat (ATP) je nositelj energije ljudskog tijela. Sva energija koja proizlazi iz staničnog disanja u početku se pohranjuje u obliku ATP-a. Tijelo energiju može koristiti samo ako je u obliku molekule ATP.

Ako se potroši energija ATP molekule, iz ATP se stvara adenozin difosfat (ADP), pri čemu se fosfatna skupina molekule odvaja i energija oslobađa. Stanično disanje ili stvaranje energije služi u svrhu kontinuirane regeneracije ATP-a iz takozvanog ADP-a, tako da ga tijelo može ponovno koristiti.

Jednadžba reakcije

Zbog činjenice da su masne kiseline različite duljine i da aminokiseline također imaju vrlo različitu strukturu, nije moguće postaviti jednostavnu jednadžbu za ove dvije skupine koja bi precizno karakterizirala njihov energetski prinos u staničnom disanju. Budući da svaka strukturna promjena može odrediti u kojem koraku citratnog ciklusa teče aminokiselina.
Razgradnja masnih kiselina u takozvanoj beta oksidaciji ovisi o njihovoj duljini. Što su masne kiseline duže, to se više energije od njih može dobiti. To varira između zasićenih i nezasićenih masnih kiselina, s tim što nezasićene masne kiseline daju minimalno manje energije, pod uvjetom da imaju istu količinu.

Iz već spomenutih razloga jednadžba se najbolje može opisati za razgradnju glukoze. Molekula glukoze (C6H12O6) i 6 molekula kisika (O2) rezultiraju s ukupno 6 molekula ugljikovog dioksida (CO2) i 6 molekula vode (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 postaju 6 CO2 + 6 H2O

Što je glikoliza?

Glikoliza opisuje razgradnju glukoze, tj. Grožđanog šećera. Ovaj se metabolički put odvija u ljudskim stanicama kao i u drugima, npr. Kvasci tijekom fermentacije. Mjesto na kojem stanice provode glikolizu nalazi se u citoplazmi. Ovdje su prisutni enzimi koji ubrzavaju reakcije glikolize kako bi se izravno sintetizirao ATP i osigurali supstrati za ciklus limunske kiseline. Ovaj proces stvara energiju u obliku dvije molekule ATP i dvije molekule NADH + H +. Glikoliza, zajedno s ciklusom limunske kiseline i respiratornim lancem, koji se nalaze u mitohondriju, predstavljaju put razgradnje jednostavne glukoze šećera do univerzalnog nosača energije ATP. Glikoliza se odvija u citozolu svih životinjskih i biljnih stanica . Krajnji produkt glikolize je piruvat, koji se zatim može uvesti u ciklus limunske kiseline posrednim korakom.

Ukupno se koriste 2 ATP po molekuli glukoze u glikolizi kako bi se mogle provesti reakcije. Međutim, dobivaju se 4 ATP, tako da se efektivno postiže neto dobitak od 2 molekule ATP.

Glikoliza deset reakcijskih koraka dok se šećer sa 6 atoma ugljika ne pretvori u dvije molekule piruvata, od kojih se svaka sastoji od tri atoma ugljika. U prva četiri reakcijska koraka šećer se uz pomoć dva fosfata i preslagivanjem pretvara u fruktoza-1,6-bisfosfat. Taj se aktivirani šećer sada dijeli na dvije molekule s po tri atoma ugljika. Daljnja preslagivanja i uklanjanje dviju fosfatnih skupina u konačnici rezultiraju dvama piruvatima. Ako je kisik (O2) sada dostupan, piruvat se može dalje metabolizirati u acetil-CoA i uvesti u ciklus limunske kiseline. Sveukupno, glikoliza s dvije molekule ATP i dvije molekule NADH + H + ima relativno nizak energetski prinos. Međutim, on postavlja temelje za daljnju razgradnju šećera i stoga je neophodan za proizvodnju ATP-a u staničnom disanju.

U ovom trenutku ima smisla razdvojiti aerobnu i anaerobnu glikolizu. Aerobna glikoliza dovodi do gore opisanog piruvata, koji se zatim može koristiti za stvaranje energije.
Suprotno tome, anaerobna glikoliza, koja se odvija u uvjetima nedostatka kisika, piruvat se više ne može koristiti jer ciklus limunske kiseline zahtijeva kisik. U kontekstu glikolize, stvara se i molekula za srednje skladištenje NADH, koja je i sama bogata energijom i koja bi se također ulijevala u Krebsov ciklus pod aerobnim uvjetima. Međutim, matična molekula NAD + neophodna je za održavanje glikolize. Zbog toga tijelo ovdje "grize" "kiselu jabuku" i pretvara ovu visokoenergetsku molekulu u svoj izvorni oblik. Piruvat se koristi za provođenje reakcije. Iz piruvata nastaje takozvani laktat ili mliječna kiselina.

Pročitajte više o tome pod

• Laktat
• Anaerobni prag

Što je dišni lanac?

Dišni lanac zadnji je dio puta razgradnje glukoze. Nakon što se šećer metabolizira u glikolizi i ciklusu limunske kiseline, dišni lanac ima funkciju regeneracije ekvivalenata redukcije (NADH + H + i FADH2) koji se stvaraju. To stvara univerzalni nosač energije ATP (adenozin trifosfat). Poput ciklusa limunske kiseline, i respiratorni se lanac nalazi u mitohondrijima, koji se stoga nazivaju i "elektranama stanice". Dišni lanac sastoji se od pet enzimskih kompleksa koji su ugrađeni u unutarnju mitohondrijsku membranu. Prva dva enzimska kompleksa regeneriraju NADH + H + (ili FADH2) do NAD + (ili FAD). Tijekom oksidacije NADH + H +, četiri protona prenose se iz prostora matrice u intermembranski prostor. Dva protona se također pumpaju u intermembranski prostor u svakom od sljedeća tri enzimska kompleksa. To stvara gradijent koncentracije koji se koristi za proizvodnju ATP. U tu svrhu protoni teku iz intermembranskog prostora kroz ATP sintazu natrag u prostor matrice. Oslobođena energija koristi se za konačno stvaranje ATP iz ADP (adenozin difosfata) i fosfata. Sljedeća je zadaća respiratornog lanca presretanje elektrona generiranih oksidacijom redukcijskih ekvivalenata. To se postiže prijenosom elektrona u kisik. Okupljanjem elektrona, protona i kisika stvara se normalna voda u četvrtom enzimskom kompleksu (citokrom c oksidaza). To također objašnjava zašto se dišni lanac može odvijati samo kada ima dovoljno kisika.

Koji su zadaci mitohondrija u staničnom disanju?

Mitohondriji su organele koje nalazimo samo u eukariotskim stanicama. Njih se nazivaju i "elektranama stanice", jer se u njima odvija stanično disanje. Krajnji produkt staničnog disanja je ATP (adenozin trifosfat). Ovo je univerzalni nosač energije koji je potreban u cijelom ljudskom organizmu. Kompartmentalizacija mitohondrija preduvjet je za stanično disanje. To znači da u mitohondriji postoje odvojeni reakcijski prostori. To se postiže unutarnjom i vanjskom membranom, tako da postoji intermembranski prostor i unutarnji matrični prostor.

Tijekom dišnog lanca protoni (vodikovi ioni, H +) prenose se u intermembranski prostor, tako da dolazi do razlike u koncentraciji protona. Ti protoni dolaze iz različitih ekvivalenata redukcije, poput NADH + H + i FADH2, koji se time regeneriraju u NAD + i FAD.

ATP sintaza je posljednji enzim u respiratornom lancu, gdje se na kraju proizvodi ATP. Potaknuti razlikom u koncentraciji, protoni teku iz intermembranskog prostora kroz ATP sintazu u prostor matrice. Ovaj tok pozitivnog naboja oslobađa energiju koja se koristi za proizvodnju ATP-a iz ADP-a (adenozin-difosfata) i fosfata. Mitohondriji su posebno pogodni za respiratorni lanac, jer imaju dva reakcijska prostora zbog dvostruke membrane. Uz to, u mitohondriji se odvijaju mnogi metabolički putovi (glikoliza, ciklus limunske kiseline) koji osiguravaju početne tvari (NADH + H +, FADH2) za dišni lanac. Ova prostorna blizina je još jedna prednost i čini mitohondrije idealnim mjestom za stanično disanje.

Ovdje možete saznati sve o temi dišnog lanca

Energetska bilanca

Energetska bilanca staničnog disanja u slučaju glukoze može se sažeti kako slijedi, uz stvaranje 32 molekule ATP po glukozi:

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

(Radi jasnoće, ADP i fosfatni ostatak Pi izostavljeni su iz edukata)

U anaerobnim uvjetima, tj. Nedostatku kisika, ciklus limunske kiseline ne može teći, a energija se može dobiti samo aerobnom glikolizom:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP postaju 2 laktata + 2 ATP. + 2 H2O. Tako se po molekuli glukoze dobije samo oko 6% udjela, kao što bi bio slučaj s aerobnom glikolizom.

Bolesti povezane sa staničnim disanjem

The Stanično disanje je neophodno za preživljavanje, tj. da su mnoge mutacije u genima koji kodiraju proteine ​​staničnog disanja, npr. enzimi glikolize, smrtonosne (fatalan) jesu. Međutim, javljaju se genetske bolesti staničnog disanja. Oni mogu potjecati iz nuklearne DNA kao i iz mitohondrijske DNA. Sami mitohondriji sadrže vlastiti genetski materijal, koji je neophodan za stanično disanje. Međutim, ove bolesti pokazuju slične simptome, jer im je svima zajedničko jedno: interveniraju u staničnom disanju i ometaju ga.

Stanične bolesti dišnog sustava često pokazuju slične kliničke simptome. Ovdje je to posebno važno Poremećaji tkiva, kojima treba puno energije. To posebno uključuje stanice živca, mišića, srca, bubrega i jetre. Simptomi poput slabosti mišića ili znakova oštećenja mozga često se javljaju čak i u mladoj dobi, ako ne i u vrijeme rođenja. Također govori izraženo Laktacidoza (Prekomjerno zakiseljavanje tijela laktatom, koji se nakuplja jer se piruvat ne može dovoljno razgraditi u ciklusu limunske kiseline). Unutarnji organi također mogu neispravno raditi.

Dijagnozu i terapiju bolesti staničnog disanja trebaju preuzeti stručnjaci, jer klinička slika može ispasti vrlo raznolika i različita. Od danas je još uvijek bez uzročne i kurativne terapije daje. Bolesti se mogu liječiti samo simptomatski.

Budući da se mitohondrijska DNK prenosi s majke na djecu na vrlo kompliciran način, žene koje pate od bolesti staničnog disanja trebale bi se obratiti stručnjaku ako žele imati djecu, jer samo one mogu procijeniti vjerojatnost nasljeđivanja.