Клетъчно дишане при хората

Целта на клетъчното дишане е да преобразува глюкозата от храната в енергия.

Клетките разграждат глюкозата в поредица от сложни химични реакции и комбинират реакционните продукти с кислород, за да съхраняват енергия в тях аденозин трифосфат (ATP) молекули. АТФ молекулите се използват за задвижване на клетъчните дейности и действат като универсален енергиен източник за живите организми.

Клетъчно дишане при хората започва в храносмилателната и дихателната системи. Храната се смила в червата и се превръща в глюкоза. Кислородът се абсорбира в белите дробове и се съхранява в червените кръвни клетки. Глюкозата и кислородът излизат в тялото през кръвоносната система, за да достигнат клетки, които се нуждаят от енергия.

Клетките използват глюкозата и кислорода от кръвоносната система за производство на енергия. Те доставят отпадъчния продукт, въглеродния диоксид, обратно до червените кръвни клетки и въглеродният диоксид се освобождава в атмосферата през белите дробове.

Докато храносмилателната, дихателната и кръвоносната системи играят основна роля в дишането на човека, дишането на клетъчно ниво се извършва вътре в клетките и в

• Гликолиза: Клетката разделя молекулата на глюкозата в клетъчния цитозол.
  
• Цикъл на Кребс (или цикъл на лимонена киселина): Поредица от циклични реакции произвеждат донорите на електрони, използвани в следващия етап и се провеждат в митохондриите.
• Електронната транспортна верига: Последната поредица от реакции, които използват кислород за производството на молекули на АТФ, се провеждат във вътрешната мембрана на митохондриите.

В общата реакция на клетъчно дишане всяка молекула глюкоза произвежда 36 или 38 молекули АТФ, в зависимост от типа клетка. Клетъчното дишане при хората е непрекъснат процес и изисква непрекъснато снабдяване с кислород. При липса на кислород процесът на клетъчно дишане спира при гликолиза.

Целта на клетъчното дишане е да произвежда молекули на АТФ през окисление на глюкоза.

Например, формулата за клетъчно дишане за производството на 36 молекули АТФ от молекула глюкоза е С₆Н₁₂О₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6Н₂O + енергия (36ATP молекули). АТФ молекулите съхраняват енергия в трите си връзки на фосфатни групи.

Енергията, произведена от клетката, се съхранява в връзката на третата фосфатна група, която се добавя към молекулите на АТФ по време на процеса на клетъчно дишане. Когато е необходима енергия, третата фосфатна връзка се прекъсва и се използва за клетъчни химични реакции. An аденозин дифосфат (ADP) молекула с две фосфатни групи е оставено.

По време на клетъчното дишане енергията от процеса на окисление се използва за промяна на молекулата на ADP обратно в ATP чрез добавяне на трета фосфатна група. Тогава молекулата на АТФ отново е готова да разкъса тази трета връзка, за да освободи енергия, която клетката да използва.

При гликолизата шествъглеродната молекула глюкоза се разделя на две части, за да образува две пируват молекули в поредица от реакции. След като глюкозната молекула навлезе в клетката, двете й три въглеродни половини получават по две фосфатни групи в две отделни стъпки.

Първо, две молекули АТФ фосфорилат двете половини на молекулата на глюкозата чрез добавяне на фосфатна група към всяка една. След това ензимите добавят още една фосфатна група към всяка от половините на молекулата на глюкозата, което води до две половинки от три въглеродни молекули, всяка с две фосфатни групи.

В две окончателни и паралелни серии от реакции двете фосфорилирани три въглеродни половинки на оригиналната глюкозна молекула губят фосфатните си групи, за да образуват двете пируватни молекули. Окончателното разделяне на молекулата на глюкозата освобождава енергия, която се използва за добавяне на фосфатните групи към молекулите на ADP и образуването на ATP.

Всяка половина от глюкозната молекула губи двете си фосфатни групи и произвежда пируватната молекула и две АТФ молекули.

Гликолизата се извършва в клетъчния цитозол, но останалата част от процеса на клетъчно дишане се премества в митохондрии. Гликолизата не изисква кислород, но след като пируватът се премести в митохондриите, кислородът е необходим за всички по-нататъшни стъпки.

Митохондриите са енергийните фабрики, които пропускат кислорода и пирувата да навлизат през външната си мембрана и след това оставете реакционните продукти въглероден диоксид и АТФ да излязат обратно в клетката и да продължат в кръвообращението система.

The цикъл на лимонена киселина е поредица от кръгови химични реакции, които генерират NADH и FADH₂ молекули. Тези две съединения влизат в следващата стъпка на клетъчното дишане, електронна транспортна верига, и дарява първоначалните електрони, използвани във веригата. Полученият NAD⁺ и FAD съединенията се връщат в цикъла на лимонената киселина, за да се върнат към първоначалните им NADH и FADH₂ форми и рециклирани.

Когато тривъглеродните молекули на пирувата навлязат в митохондриите, те губят една от своите въглеродни молекули, образувайки въглероден диоксид и двувъглеродно съединение. Този реакционен продукт впоследствие се окислява и се свързва коензим А да образуват две ацетил КоА молекули. По време на цикъла на лимонената киселина въглеродните съединения са свързани с четиривъглеродно съединение, за да се получи шест въглероден цитрат.

В поредица от реакции цитратът освобождава два въглеродни атома като въглероден диоксид и произвежда 3 NADH, 1 ATP и 1 FADH₂ молекули. В края на процеса цикълът възстановява първоначалното четиривъглеродно съединение и започва отново. Реакциите протичат във вътрешността на митохондриите и в NADH и FADH₂ След това молекулите участват в електронната транспортна верига във вътрешната мембрана на митохондриите.

Електронната транспортна верига се състои от четири протеинови комплекси разположен върху вътрешната мембрана на митохондриите. NADH дарява електрони на първия протеинов комплекс, докато FADH₂ дава своите електрони на втория протеинов комплекс. Протеиновите комплекси предават електроните по транспортната верига в поредица от редукционно-окислителни или редокс реакции.

Енергията се освобождава по време на всеки редокс етап и всеки протеинов комплекс я използва за изпомпване протони през митохондриалната мембрана в междумембранното пространство между вътрешната и външната мембрани. Електроните преминават към четвъртия и последен протеинов комплекс, където кислородните молекули действат като крайни електронни акцептори. Два водородни атома се комбинират с кислороден атом, за да образуват водни молекули.

С увеличаване на концентрацията на протони извън вътрешната мембрана, an енергиен градиент се установява, с тенденция да привлича протоните обратно през мембраната към страната, която има по-ниската концентрация на протони. Ензим на вътрешната мембрана, наречен АТФ синтаза предлага на протоните преминаване обратно през вътрешната мембрана.

Докато протоните преминават през АТФ синтазата, ензимът използва протонната енергия, за да промени АДФ в АТФ, съхранявайки протонната енергия от електронната транспортна верига в АТФ молекулите.

Сложните биологични и химични процеси, които изграждат дишането на клетъчно ниво, включват ензими, протонни помпи и протеини, взаимодействащи на молекулярно ниво по много сложни начини. Докато входа на глюкоза и кислород са прости вещества, ензимите и протеините не са.

Преглед на гликолиза, цикълът на Кребс или лимонена киселина и веригата за електронен трансфер помага да се демонстрира как клетъчното дишане работи на основно ниво, но действителната работа на тези етапи е много по-сложна.

Описанието на процеса на клетъчно дишане е по-просто на концептуално ниво. Тялото приема хранителни вещества и кислород и разпределя глюкозата в храната и кислорода до отделните клетки, ако е необходимо. Клетките окисляват молекулите на глюкозата, за да произвеждат химическа енергия, въглероден диоксид и вода.

Енергията се използва за добавяне на трета фосфатна група към молекула на ADP за образуване на ATP и въглеродният диоксид се елиминира през белите дробове. АТФ енергията от третата фосфатна връзка се използва за захранване на други клетъчни функции. Ето как клетъчното дишане формира основата за всички други човешки дейности.