Buněčné dýchání u lidí

Účelem buněčného dýchání je přeměna glukózy z potravy na energii.

Buňky rozkládají glukózu v řadě složitých chemických reakcí a kombinují reakční produkty s kyslíkem, aby do ní mohly ukládat energii adenosintrifosfát (ATP) molekuly. Molekuly ATP se používají k napájení buněčných aktivit a působí jako univerzální zdroj energie pro živé organismy.

Buněčné dýchání u lidí začíná v zažívacím a dýchacím systému. Jídlo je tráveno ve střevech a přeměněno na glukózu. Kyslík je absorbován v plicích a uložen v červených krvinkách. Glukóza a kyslík cestují do těla oběhovým systémem a dostávají se do buněk, které potřebují energii.

Buňky používají k výrobě energie glukózu a kyslík z oběhového systému. Dodávají odpadní produkt, oxid uhličitý, zpět do červených krvinek a oxid uhličitý se uvolňuje do atmosféry plícemi.

Zatímco trávicí, dýchací a oběhový systém hrají hlavní roli v dýchání člověka, dýchání na buněčné úrovni probíhá uvnitř buněk a v mitochondrie buněk. Proces lze rozdělit do tří odlišných kroků:

• Glykolýza: Buňka štěpí molekulu glukózy v buněčném cytosolu.
  
• Krebsův cyklus (nebo cyklus kyseliny citronové): Řada cyklických reakcí produkuje donory elektronů použité v dalším kroku a probíhá v mitochondriích.
• Řetězec transportu elektronů: Konečná řada reakcí, které využívají kyslík k produkci molekul ATP, probíhá na vnitřní membráně mitochondrií.

Při celkové buněčné respirační reakci produkuje každá molekula glukózy 36 nebo 38 molekul ATP, v závislosti na typu buňky. Buněčné dýchání u lidí je kontinuální proces a vyžaduje nepřetržitý přísun kyslíku. V nepřítomnosti kyslíku se proces buněčného dýchání zastaví na glykolýze.

Účelem buněčného dýchání je produkce molekul ATP prostřednictvím oxidace glukózy.

Například vzorec buněčného dýchání pro produkci 36 molekul ATP z molekuly glukózy je C₆H₁₂Ó₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6 hodin₂Energie O + (36 molekul ATP). Molekuly ATP uchovávají energii ve svých třech vazby fosfátových skupin.

Energie produkovaná buňkou se ukládá ve vazbě třetí fosfátové skupiny, která se přidává k molekulám ATP během procesu buněčného dýchání. Když je potřeba energie, třetí fosfátová vazba se rozbije a použije se pro buněčné chemické reakce. An adenosindifosfát (ADP) molekula se dvěma fosfátovými skupinami.

Během buněčného dýchání se energie z oxidačního procesu používá ke změně molekuly ADP zpět na ATP přidáním třetí fosfátové skupiny. Molekula ATP je pak znovu připravena rozbít tuto třetí vazbu, aby uvolnila energii pro použití buňky.

Při glykolýze se molekula glukózy se šesti uhlíky rozdělí na dvě části a vytvoří dvě pyruvát molekuly v sérii reakcí. Poté, co molekula glukózy vstoupí do buňky, obdrží její dvě poloviny se třemi uhlíky dvě fosfátové skupiny ve dvou samostatných krocích.

Nejprve dvě molekuly ATP fosforylát dvě poloviny molekuly glukózy přidáním fosfátové skupiny ke každé z nich. Poté enzymy přidají ke každé z polovin molekuly glukózy ještě jednu fosfátovou skupinu, což má za následek dvě poloviny molekuly se třemi uhlíky, každá se dvěma fosfátovými skupinami.

Ve dvou závěrečných a paralelních sériích reakcí ztrácejí dvě fosforylované tři uhlíkové poloviny původní molekuly glukózy své fosfátové skupiny za vzniku dvou molekul pyruvátu. Konečné rozdělení molekuly glukózy uvolňuje energii, která se používá k přidání fosfátových skupin k molekulám ADP a tvorbě ATP.

Každá polovina molekuly glukózy ztrácí své dvě fosfátové skupiny a produkuje molekulu pyruvátu a dvě molekuly ATP.

Glykolýza probíhá v buněčném cytosolu, ale zbytek procesu buněčného dýchání se přesouvá do mitochondrie. Glykolýza nevyžaduje kyslík, ale jakmile se pyruvát přesunul do mitochondrií, je zapotřebí kyslík pro všechny další kroky.

Mitochondrie jsou energetické továrny, které nechávají kyslík a pyruvát vstupovat přes jejich vnější membránu a poté nechte reakční produkty oxid uhličitý a ATP opustit zpět do buňky a dále do oběhu Systém.

The cyklus kyseliny citronové je řada kruhových chemických reakcí, které generují NADH a FADH₂ molekuly. Tyto dvě sloučeniny vstupují do následujícího kroku buněčného dýchání, do elektronový transportní řetězeca darovat počáteční elektrony použité v řetězci. Výsledný NAD⁺ a sloučeniny FAD se vracejí do cyklu kyseliny citronové, aby se změnily zpět na původní NADH a FADH₂ formy a recyklovány.

Když molekuly pyruvátu se třemi uhlíky vstoupí do mitochondrií, ztratí jednu ze svých molekul uhlíku a vytvoří oxid uhličitý a sloučeninu se dvěma uhlíky. Tento reakční produkt se následně oxiduje a spojí se s koenzym A tvořit dva acetyl CoA molekuly. V průběhu cyklu kyseliny citronové jsou sloučeniny uhlíku spojeny se sloučeninou se čtyřmi uhlíky za vzniku citrátu se šesti uhlíky.

V sérii reakcí citrát uvolňuje dva atomy uhlíku jako oxid uhličitý a produkuje 3 NADH, 1 ATP a 1 FADH₂ molekuly. Na konci procesu cyklus znovu vytvoří původní sloučeninu se čtyřmi uhlíky a začíná znovu. Reakce probíhají v nitru mitochondrií a v NADH a FADH₂ molekuly se poté účastní řetězce transportu elektronů na vnitřní membráně mitochondrií.

Řetězec transportu elektronů se skládá ze čtyř proteinové komplexy nachází se na vnitřní membráně mitochondrií. NADH daruje elektrony prvnímu proteinovému komplexu, zatímco FADH₂ dává své elektrony druhému proteinovému komplexu. Komplexy proteinů procházejí elektrony dolů v transportním řetězci v sérii redukčně-oxidační nebo redox reakce.

Energie se uvolňuje během každé redoxní fáze a každý proteinový komplex ji využívá k čerpání protony přes mitochondriální membránu do mezimembránového prostoru mezi vnitřní a vnější membránou. Elektrony procházejí čtvrtým a posledním proteinovým komplexem, kde molekuly kyslíku fungují jako konečné akceptory elektronů. Dva atomy vodíku se spojí s atomem kyslíku a vytvoří molekuly vody.

Jak se zvyšuje koncentrace protonů mimo vnitřní membránu, an energetický gradient je založen, má tendenci přitahovat protony zpět přes membránu na stranu, která má nižší koncentraci protonů. Enzym vnitřní membrány ATP syntáza nabízí protonům průchod zpět vnitřní membránou.

Když protony procházejí ATP syntázou, používá enzym energii protonu ke změně ADP na ATP a ukládá energii protonů z řetězce transportu elektronů v molekulách ATP.

Složité biologické a chemické procesy, které tvoří dýchání na buněčné úrovni, zahrnují enzymy, protonové pumpy a proteiny interagující na molekulární úrovni velmi komplikovanými způsoby. Zatímco vstupy glukózy a kyslíku jsou jednoduché látky, enzymy a bílkoviny nejsou.

Přehled glykolýza, Krebsův nebo citronový cyklus a elektronový přenosový řetězec pomáhají demonstrovat, jak buněčné dýchání funguje na základní úrovni, ale skutečná činnost těchto fází je mnohem složitější.

Popsat proces buněčného dýchání je na koncepční úrovni jednodušší. Tělo přijímá živiny a kyslík a podle potřeby distribuuje glukózu v potravě a kyslík do jednotlivých buněk. Buňky oxidují molekuly glukózy na chemickou energii, oxid uhličitý a vodu.

Energie se používá k přidání třetí fosfátové skupiny k molekule ADP za vzniku ATP a oxid uhličitý se vylučuje plícemi. Energie ATP ze třetí fosfátové vazby se používá k napájení dalších funkcí buněk. Tak tvoří buněčné dýchání základ pro všechny ostatní lidské činnosti.