Κυτταρική αναπνοή στους ανθρώπους

Περιεχόμενο

• Μια γρήγορη επισκόπηση
• Η ενέργεια αποθηκεύεται στα ομόλογα φωσφορικού ΑΤΡ
• Γλυκόλυση προετοιμάζει τον τρόπο για την οξείδωση
• Τοποθεσία
• Ο κύκλος του Krebs Citric Acid παράγει ηλεκτρονικούς δότες
• Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων παράγει τα περισσότερα από τα μόρια ATP
• Η κυτταρική αναπνοή στους ανθρώπους είναι μια απλή έννοια με σύνθετες διαδικασίες

Ο σκοπός της κυτταρικής αναπνοής είναι να μετατρέψει τη γλυκόζη από το φαγητό σε ενέργεια.

Τα κύτταρα διαλύουν τη γλυκόζη σε μια σειρά σύνθετων χημικών αντιδράσεων και συνδυάζουν τα προϊόντα αντίδρασης με οξυγόνο για να αποθηκεύουν ενέργεια σε τριφωσφορική αδενοσίνη (ΑΤΡ) μόρια. Τα μόρια ΑΤΡ χρησιμοποιούνται για να τροφοδοτήσουν τις κυτταρικές δραστηριότητες και να λειτουργήσουν ως η παγκόσμια πηγή ενέργειας για τους ζώντες οργανισμούς.

Μια γρήγορη επισκόπηση

Η κυτταρική αναπνοή στους ανθρώπους ξεκινά από το πεπτικό και το αναπνευστικό σύστημα. Τα τρόφιμα χωνεύονται στα έντερα και μετατρέπονται σε γλυκόζη. Το οξυγόνο απορροφάται στους πνεύμονες και αποθηκεύεται σε ερυθρά αιμοσφαίρια. Η γλυκόζη και το οξυγόνο εξέρχονται στο σώμα μέσω του κυκλοφορικού συστήματος για να φθάσουν σε κύτταρα που χρειάζονται ενέργεια.

Τα κύτταρα χρησιμοποιούν τη γλυκόζη και το οξυγόνο από το κυκλοφορικό σύστημα για την παραγωγή ενέργειας. Παρέχουν το απόβλητο προϊόν, διοξείδιο του άνθρακα, πίσω στα ερυθρά αιμοσφαίρια και το διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα μέσω των πνευμόνων.

Ενώ τα πεπτικά, αναπνευστικά και κυκλοφοριακά συστήματα παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανθρώπινη αναπνοή, η αναπνοή σε κυτταρικό επίπεδο λαμβάνει χώρα εντός των κυττάρων και στο μιτοχόνδρια των κυττάρων. Η διαδικασία μπορεί να χωριστεί σε τρία διαφορετικά βήματα:

Στη συνολική αντίδραση κυτταρικής αναπνοής, κάθε μόριο γλυκόζης παράγει 36 ή 38 μόρια ΑΤΡ, ανάλογα με τον τύπο κυττάρων. Η κυτταρική αναπνοή στον άνθρωπο είναι μια συνεχής διαδικασία και απαιτεί συνεχή παροχή οξυγόνου. Απουσία οξυγόνου, η κυτταρική αναπνοή σταματά στη γλυκόλυση.

Η ενέργεια αποθηκεύεται στα ομόλογα φωσφορικού ΑΤΡ

Ο σκοπός της κυτταρικής αναπνοής είναι η παραγωγή μορίων ΑΤΡ μέσω του οξείδωση της γλυκόζης.

Για παράδειγμα, ο τύπος κυτταρικής αναπνοής για την παραγωγή 36 μορίων ΑΤΡ από ένα μόριο γλυκόζης είναι C₆H₁₂Ο₆ + 6Ο₂ = 6CO₂ + 6Η₂Ο + ενέργεια (μόρια 36ΑΤΡ). Τα μόρια ΑΤΡ αποθηκεύουν ενέργεια στα τρία τους φωσφορικών ομάδων.

Η ενέργεια που παράγεται από το κύτταρο αποθηκεύεται στον δεσμό της τρίτης φωσφορικής ομάδας, η οποία προστίθεται στα μόρια ΑΤΡ κατά τη διαδικασία κυτταρικής αναπνοής. Όταν η ενέργεια είναι απαραίτητη, ο τρίτος φωσφορικός δεσμός σπάει και χρησιμοποιείται για κυτταρικές χημικές αντιδράσεις. Ενα διφωσφορική αδενοσίνη (ΑϋΡ) με δύο φωσφορικές ομάδες.

Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής αναπνοής, η ενέργεια από την διαδικασία οξείδωσης χρησιμοποιείται για να αλλάξει το μόριο ADP πίσω στο ΑΤΡ με την προσθήκη μιας τρίτης φωσφορικής ομάδας. Το μόριο ΑΤΡ είναι και πάλι έτοιμο να σπάσει αυτόν τον τρίτο δεσμό για να απελευθερώσει ενέργεια για να χρησιμοποιήσει το κύτταρο.

Γλυκόλυση προετοιμάζει τον τρόπο για την οξείδωση

Στη γλυκόλυση, ένα μόριο γλυκόζης έξι ανθράκων χωρίζεται σε δύο μέρη για να σχηματίσει δύο πυροσταφυλικό μορίων σε μια σειρά αντιδράσεων. Αφού το μόριο γλυκόζης εισέλθει στο κύτταρο, τα δύο μισά του με 3 άτομα άνθρακα λαμβάνουν ο καθένας δύο φωσφορικές ομάδες σε δύο χωριστά στάδια.

Πρώτον, δύο μόρια ΑΤΡ φωσφορυλιώνεται τα δύο μισά του μορίου γλυκόζης προσθέτοντας μια φωσφορική ομάδα σε κάθε μία. Στη συνέχεια, τα ένζυμα προσθέτουν μία ακόμη φωσφορική ομάδα σε κάθε ένα από τα μισά του μορίου γλυκόζης, με αποτέλεσμα δύο μισά μόρια τριών ατόμων άνθρακα, το καθένα με δύο φωσφορικές ομάδες.

Σε δύο τελικές και παράλληλες σειρές αντιδράσεων, τα δύο φωσφορυλιωμένα μισά τρία άτομα άνθρακα του αρχικού μορίου γλυκόζης χάνουν τις φωσφορικές τους ομάδες για να σχηματίσουν τα δύο μόρια πυροσταφυλικού οξέος. Ο τελικός διαχωρισμός του μορίου γλυκόζης απελευθερώνει ενέργεια που χρησιμοποιείται για την προσθήκη των φωσφορικών ομάδων σε μόρια ΑϋΡ και σχηματίζει ΑΤΡ.

Κάθε μισό μόριο γλυκόζης χάνει τις δύο φωσφορικές του ομάδες και παράγει το μόριο πυροσταφυλικού και δύο μόρια ΑΤΡ.

Τοποθεσία

Η γλυκόλυση λαμβάνει χώρα στο κυτταρόπλασμα των κυττάρων, αλλά η υπόλοιπη διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής μετακινείται στο μιτοχόνδρια. Η γλυκόλυση δεν απαιτεί οξυγόνο, αλλά μόλις μεταφερθεί το πυροσταφυλικό στα μιτοχόνδρια, απαιτείται οξυγόνο για όλα τα περαιτέρω βήματα.

Τα μιτοχόνδρια είναι τα εργοστάσια ενέργειας που αφήνουν το οξυγόνο και το πυροσταφυλικό να εισέρχονται μέσα από την εξωτερική τους μεμβράνη και στη συνέχεια αφήνουν τα προϊόντα αντίδρασης να διοχετεύουν διοξείδιο του άνθρακα και ΑΤΡ πίσω στο κύτταρο και στο κυκλοφορικό σύστημα.

Ο κύκλος του Krebs Citric Acid παράγει ηλεκτρονικούς δότες

Ο κύκλος του κιτρικού οξέος είναι μια σειρά κυκλικών χημικών αντιδράσεων που δημιουργούν NADH και FADH₂ μόρια. Αυτές οι δύο ενώσεις εισέρχονται στο επόμενο στάδιο της κυτταρικής αναπνοής, το αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων, και να δώσουν τα αρχικά ηλεκτρόνια που χρησιμοποιούνται στην αλυσίδα. Το προκύπτον NAD⁺ και οι ενώσεις FAD επιστρέφονται στον κύκλο του κιτρικού οξέος για να αλλάξουν πίσω στο αρχικό τους NADH και FADH₂ μορφές και ανακυκλώνονται.

Όταν τα μόρια πυροσταφυλικού τριών ατόμων άνθρακα εισέρχονται στα μιτοχόνδρια, χάνουν ένα από τα μόρια άνθρακα τους για να σχηματίσουν διοξείδιο του άνθρακα και μια ένωση δύο-άνθρακα. Αυτό το προϊόν αντίδρασης στη συνέχεια οξειδώνεται και συνδέεται με συνένζυμο Α για να σχηματίσουν δύο ακετυλ CoA μόρια. Κατά τη διάρκεια του κύκλου του κιτρικού οξέος, οι ενώσεις άνθρακα συνδέονται με μία ένωση τεσσάρων ανθράκων για την παραγωγή ενός κιτρικού άλατος με έξι άτομα άνθρακα.

Σε μια σειρά αντιδράσεων, το κιτρικό απελευθερώνει δύο άτομα άνθρακα ως διοξείδιο του άνθρακα και παράγει 3 NADH, 1 ΑΤΡ και 1 FADH₂ μόρια. Στο τέλος της διαδικασίας, ο κύκλος επαναπροσδιορίζει την αρχική ένωση τεσσάρων ανθράκων και ξεκινά ξανά. Οι αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των μιτοχονδρίων, και το NADH και το FADH₂ τότε τα μόρια συμμετέχουν στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων.

Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων παράγει τα περισσότερα από τα μόρια ATP

Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων αποτελείται από τέσσερα πρωτεϊνικά σύμπλοκα που βρίσκεται στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων. Το NADH δωρίζει ηλεκτρόνια στο πρώτο σύμπλοκο πρωτεϊνών, ενώ το FADH₂ δίνει τα ηλεκτρόνια του στο δεύτερο σύμπλοκο πρωτεϊνών. Τα σύμπλοκα πρωτεϊνών περνούν τα ηλεκτρόνια κάτω από την αλυσίδα μεταφοράς σε μια σειρά οξείδωσης μείωσης ή οξειδοαναγωγής αντιδράσεις.

Η ενέργεια απελευθερώνεται σε κάθε στάδιο οξειδοαναγωγής και κάθε σύμπλεγμα πρωτεϊνών το χρησιμοποιεί για να αντλήσει πρωτόνια κατά μήκος της μιτοχονδριακής μεμβράνης εντός του διαμεμβρανικού χώρου μεταξύ της εσωτερικής και της εξωτερικής μεμβράνης. Τα ηλεκτρόνια περνούν στο τέταρτο και στο τελικό σύμπλοκο πρωτεϊνών όπου τα μόρια οξυγόνου δρουν ως οι τελικοί δέκτες ηλεκτρονίων. Δύο άτομα υδρογόνου συνδυάζονται με ένα άτομο οξυγόνου για να σχηματίσουν μόρια νερού.

Καθώς η συγκέντρωση πρωτονίων έξω από την εσωτερική μεμβράνη αυξάνεται, ένα ενεργειακή κλίση με την τάση να προσελκύει τα πρωτόνια πίσω από την μεμβράνη στην πλευρά που έχει τη χαμηλότερη συγκέντρωση πρωτονίων. Ένα ένζυμο εσωτερικής μεμβράνης που ονομάζεται Συνθετάση ΑΤΡ προσφέρει στα πρωτόνια ένα πέρασμα πίσω από την εσωτερική μεμβράνη.

Καθώς τα πρωτόνια περνούν μέσω της συνθετάσης ΑΤΡ, το ένζυμο χρησιμοποιεί την ενέργεια πρωτονίων για να αλλάξει ADP σε ΑΤΡ, αποθηκεύοντας την ενέργεια πρωτονίων από την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων στα μόρια ΑΤΡ.

Η κυτταρική αναπνοή στους ανθρώπους είναι μια απλή έννοια με σύνθετες διαδικασίες

Οι σύνθετες βιολογικές και χημικές διεργασίες που συνθέτουν αναπνοή σε κυτταρικό επίπεδο περιλαμβάνουν ένζυμα, αντλίες πρωτονίων και πρωτεΐνες που αλληλεπιδρούν σε μοριακό επίπεδο με πολύ περίπλοκους τρόπους. Ενώ οι εισροές γλυκόζης και οξυγόνου είναι απλές ουσίες, τα ένζυμα και οι πρωτεΐνες δεν είναι.

Μια επισκόπηση της γλυκόλυσης, του κύκλου Krebs ή του κιτρικού οξέος και της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων βοηθάει να καταδειχθεί πώς λειτουργεί η κυτταρική αναπνοή σε βασικό επίπεδο, αλλά η πραγματική λειτουργία αυτών των σταδίων είναι πολύ πιο πολύπλοκη.

Για να περιγράψουμε τη διαδικασία της κυτταρικής αναπνοής είναι απλούστερη σε εννοιολογικό επίπεδο. Το σώμα παίρνει θρεπτικά συστατικά και οξυγόνο και κατανέμει τη γλυκόζη στο φαγητό και το οξυγόνο σε μεμονωμένα κύτταρα ανάλογα με τις ανάγκες. Τα κύτταρα οξειδώνουν τα μόρια γλυκόζης για να παράγουν χημική ενέργεια, διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

Η ενέργεια χρησιμοποιείται για να προσθέσει μια τρίτη φωσφορική ομάδα σε ένα μόριο ΑϋΡ για να σχηματίσει ΑΤΡ, και το διοξείδιο του άνθρακα απομακρύνεται μέσω των πνευμόνων. Η ενέργεια ΑΤΡ από τον τρίτο φωσφορικό δεσμό χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία άλλων λειτουργιών του κυττάρου. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο η κυτταρική αναπνοή αποτελεί τη βάση για όλες τις άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες.