Cellular Respiration hos mennesker

Formålet med cellulær respiration er at omdanne glukose fra mad til energi.

Celler nedbryder glukose i en række komplekse kemiske reaktioner og kombinerer reaktionsprodukterne med ilt for at lagre energi i Adenosintrifosfat (ATP) molekyler. ATP-molekylerne bruges til at drive cellernes aktiviteter og fungerer som den universelle energikilde for levende organismer.

Cellulær respiration hos mennesker starter i fordøjelsessystemet og åndedrætssystemet. Fødevarer fordøjes i tarmene og omdannes til glukose. Ilt absorberes i lungerne og opbevares i røde blodlegemer. Glukosen og iltet bevæger sig ud i kroppen gennem kredsløbssystemet for at nå celler, der har brug for energi.

Cellerne bruger glukose og ilt fra kredsløbssystemet til energiproduktion. De leverer affaldsproduktet, kuldioxid tilbage til de røde blodlegemer, og kuldioxid frigives til atmosfæren gennem lungerne.

Mens fordøjelses-, åndedræts- og kredsløbssystemet spiller en vigtig rolle i menneskelig åndedræt, finder vejrtrækning på celleniveau sted inde i cellerne og i

• Glykolyse: Cellen opdeler glucosemolekylet i cellen cytosol.
  
• Krebs-cyklus (eller citronsyrecyklus): En række cykliske reaktioner producerer elektrondonorer, der anvendes i det næste trin og finder sted i mitokondrierne.
• Elektrontransportkæden: Den sidste række reaktioner, der bruger ilt til at producere ATP-molekyler, finder sted på mitokondriernes indre membran.

I den samlede cellulære respirationsreaktion producerer hvert glukosemolekyle 36 eller 38 molekyler af ATPafhængigt af celletypen. Cellular respiration hos mennesker er en kontinuerlig proces og kræver en kontinuerlig tilførsel af ilt. I mangel af ilt stopper den cellulære respirationsproces ved glykolyse.

Formålet med celleånding er at producere ATP-molekyler gennem oxidation af glukose.

For eksempel er den cellulære respirationsformel til produktion af 36 ATP-molekyler fra et molekyle glukose C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + energi (36ATP molekyler). ATP-molekylerne lagrer energi i deres tre fosfatgruppebindinger.

Den energi, der produceres af cellen, lagres i bindingen af ​​den tredje phosphatgruppe, som tilsættes til ATP-molekylerne under den cellulære respirationsproces. Når energien er nødvendig, brydes den tredje fosfatbinding og bruges til kemiske cellereaktioner. En adenosindiphosphat (ADP) molekyle med to fosfatgrupper er tilbage.

Under cellulær respiration bruges energien fra oxidationsprocessen til at ændre ADP-molekylet tilbage til ATP ved at tilføje en tredje phosphatgruppe. ATP-molekylet er derefter igen klar til at bryde denne tredje binding for at frigive energi til cellen at bruge.

I glykolyse opdeles et seks-kulstofmolekyle i to dele for at danne to pyruvat molekyler i en række reaktioner. Efter at glukosemolekylet er kommet ind i cellen, modtager de to halvceller med tre kulstof to fosfatgrupper i to separate trin.

For det første to ATP-molekyler phosphorylat de to halvdele af glucosemolekylet ved at tilføje en phosphatgruppe til hver enkelt. Derefter tilføjer enzymer endnu en fosfatgruppe til hver af halvdelene af glucosemolekylet, hvilket resulterer i to tre-carbonmolekylehalvdeler, hver med to phosphatgrupper.

I to sidste og parallelle reaktionsserier mister de to phosphorylerede tre-carbonhalvdele af det originale glucosemolekyle deres phosphatgrupper til dannelse af de to pyruvatmolekyler. Den endelige opdeling af glucosemolekylet frigiver energi, der bruges til at tilføje phosphatgrupperne til ADP-molekyler og danne ATP.

Hver halvdel af glucosemolekylet mister sine to phosphatgrupper og producerer pyruvatmolekylet og to ATP-molekyler.

Glykolyse finder sted i cellecytosolen, men resten af ​​den cellulære respirationsproces bevæger sig ind i mitokondrier. Glykolyse kræver ikke ilt, men når pyruvatet er bevæget sig ind i mitokondrierne, kræves der ilt til alle yderligere trin.

Mitokondrierne er energifabrikkerne, der lader ilt og pyruvat trænge ind gennem deres ydre membran og Lad derefter reaktionsprodukterne kuldioxid og ATP komme ud igen i cellen og videre i kredsløb system.

Det citronsyrecyklus er en række cirkulære kemiske reaktioner, der genererer NADH og FADH₂ molekyler. Disse to forbindelser går ind i det efterfølgende trin af cellulær respiration, elektrontransportkæde, og doner de indledende elektroner, der er brugt i kæden. Den resulterende NAD⁺ og FAD-forbindelser returneres til citronsyrecyklussen for at blive ændret til deres oprindelige NADH og FADH₂ formularer og genbruges.

Når pyruvatmolekylerne med tre carbon trænger ind i mitokondrierne, mister de et af deres carbonmolekyler for at danne kuldioxid og en to-carbon-forbindelse. Dette reaktionsprodukt oxideres derefter og forbindes til coenzym A at danne to acetyl CoA molekyler. I løbet af citronsyrecyklussen er carbonforbindelserne bundet til en fire-carbon-forbindelse for at producere et seks-carbon-citrat.

I en række reaktioner frigiver citratet to kulstofatomer som kuldioxid og producerer 3 NADH, 1 ATP og 1 FADH₂ molekyler. I slutningen af ​​processen udgør cyklussen igen den oprindelige firecarbonforbindelse og starter igen. Reaktionerne finder sted i mitokondriernes indre og i NADH og FADH₂ molekyler deltager derefter i elektrontransportkæden på mitochondriens indre membran.

Elektrontransportkæden består af fire proteinkomplekser placeret på den indre membran af mitokondrier. NADH donerer elektroner til det første proteinkompleks, mens FADH₂ giver dets elektroner til det andet proteinkompleks. Proteinkomplekserne passerer elektronerne ned gennem transportkæden i en række reduktionsoxidationer eller redox reaktioner.

Energi frigøres under hvert redox-trin, og hvert proteinkompleks bruger det til at pumpe protoner på tværs af den mitokondrielle membran ind i inter-membranrummet mellem de indre og ydre membraner. Elektronerne passerer igennem til det fjerde og sidste proteinkompleks, hvor iltmolekyler fungerer som de endelige elektronacceptorer. To hydrogenatomer kombineres med et iltatom for at danne vandmolekyler.

Når koncentrationen af ​​protoner uden for den indre membran øges, an energi gradient er etableret og har tendens til at tiltrække protonerne tilbage over membranen til den side, der har den lavere protonkoncentration. Et indre membranenzym kaldet ATP-syntase tilbyder protonerne en passage tilbage gennem den indre membran.

Når protoner passerer gennem ATP-syntase, bruger enzymet protonenergien til at ændre ADP til ATP og lagrer protonenergien fra elektrontransportkæden i ATP-molekylerne.

De komplekse biologiske og kemiske processer, der udgør respiration på celleniveau, involverer enzymer, protonpumper og proteiner, der interagerer på molekylært niveau på meget komplicerede måder. Mens input af glukose og ilt er enkle stoffer, er enzymerne og proteinerne ikke det.

En oversigt over glykolyse, Krebs- eller citronsyrecyklus og elektronoverførselskæden hjælper med at demonstrere, hvordan cellulær respiration fungerer på et grundlæggende niveau, men den faktiske drift af disse trin er meget mere kompleks.

At beskrive processen med cellulær respiration er enklere på et begrebsmæssigt niveau. Kroppen optager næringsstoffer og ilt og distribuerer glukosen i maden og iltet til individuelle celler efter behov. Cellerne oxiderer glukosemolekylerne for at producere kemisk energi, kuldioxid og vand.

Energien bruges til at tilføje en tredje fosfatgruppe til et ADP-molekyle for at danne ATP, og kuldioxid elimineres gennem lungerne. ATP-energi fra den tredje fosfatbinding bruges til at drive andre cellefunktioner. Sådan danner cellulær respiration grundlaget for alle andre menneskelige aktiviteter.