Zellatmung beim Menschen

Der Zweck der Zellatmung besteht darin, Glukose aus der Nahrung in Energie umzuwandeln.

Zellen bauen Glukose in einer Reihe komplexer chemischer Reaktionen ab und kombinieren die Reaktionsprodukte mit Sauerstoff, um Energie darin zu speichern Adenosintriphosphat (ATP) Moleküle. Die ATP-Moleküle werden verwendet, um Zellaktivitäten anzutreiben und dienen als universelle Energiequelle für lebende Organismen.

Ein kurzer Überblick

Zellatmung beim Menschen beginnt im Verdauungs- und Atmungssystem. Die Nahrung wird im Darm verdaut und in Glukose umgewandelt. Sauerstoff wird in der Lunge aufgenommen und in roten Blutkörperchen gespeichert. Die Glukose und der Sauerstoff wandern durch das Kreislaufsystem in den Körper, um Zellen zu erreichen, die Energie benötigen.

Die Zellen nutzen die Glukose und den Sauerstoff aus dem Kreislaufsystem zur Energiegewinnung. Sie geben das Abfallprodukt Kohlendioxid zurück zu den roten Blutkörperchen und das Kohlendioxid wird über die Lunge an die Atmosphäre abgegeben.

Während das Verdauungs-, Atmungs- und Kreislaufsystem eine große Rolle bei der menschlichen Atmung spielt, findet die Atmung auf zellulärer Ebene innerhalb der Zellen und in den Zellen statt Mitochondrien der Zellen. Der Prozess lässt sich in drei unterschiedliche Schritte unterteilen:

  • Glykolyse: Die Zelle spaltet das Glukosemolekül im Zellzytosol.
  • Krebs-Zyklus (oder Zitronensäure-Zyklus): Eine Reihe zyklischer Reaktionen produziert die im nächsten Schritt verwendeten Elektronendonatoren und findet in den Mitochondrien statt.
  • Die Elektronentransportkette: Die letzte Reihe von Reaktionen, bei denen Sauerstoff verwendet wird, um ATP-Moleküle zu produzieren, findet an der inneren Membran der Mitochondrien statt.

Bei der gesamten Zellatmungsreaktion produziert jedes Glukosemolekül 36 oder 38 Moleküle ATP, je nach Zelltyp. Die Zellatmung des Menschen ist ein kontinuierlicher Prozess und erfordert eine kontinuierliche Zufuhr von Sauerstoff. In Abwesenheit von Sauerstoff stoppt der Zellatmungsprozess an der Glykolyse.

Energie wird in den ATP-Phosphatbindungen gespeichert

Der Zweck der Zellatmung ist die Produktion von ATP-Molekülen durch die Oxidation von Glukose.

Zum Beispiel lautet die Zellatmungsformel für die Produktion von 36 ATP-Molekülen aus einem Glucosemolekül C6H12Ö6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + -Energie (36ATP-Moleküle). Die ATP-Moleküle speichern Energie in ihren drei Phosphatgruppenbindungen.

Die von der Zelle produzierte Energie wird in der Bindung der dritten Phosphatgruppe gespeichert, die bei der Zellatmung an die ATP-Moleküle angelagert wird. Wenn die Energie benötigt wird, wird die dritte Phosphatbindung gebrochen und für zellchemische Reaktionen verwendet. Ein Adenosindiphosphat (ADP)-Molekül mit zwei Phosphatgruppen bleibt übrig.

Bei der Zellatmung wird die Energie aus dem Oxidationsprozess genutzt, um das ADP-Molekül wieder in ATP umzuwandeln, indem eine dritte Phosphatgruppe hinzugefügt wird. Das ATP-Molekül ist dann wieder bereit, diese dritte Bindung zu brechen, um Energie für die Zelle freizusetzen.

Glykolyse bereitet den Weg für die Oxidation

Bei der Glykolyse wird ein Glukosemolekül mit sechs Kohlenstoffatomen in zwei Teile gespalten, um zwei zu bilden Pyruvat Moleküle in einer Reihe von Reaktionen. Nachdem das Glukosemolekül in die Zelle eingetreten ist, erhalten seine beiden Drei-Kohlenstoff-Hälften in zwei getrennten Schritten jeweils zwei Phosphatgruppen.

Zuerst zwei ATP-Moleküle Phosphorylat die beiden Hälften des Glukosemoleküls durch Hinzufügen einer Phosphatgruppe zu jeder. Dann fügen Enzyme jeder Hälfte des Glukosemoleküls eine weitere Phosphatgruppe hinzu, was zu zwei Drei-Kohlenstoff-Molekülhälften mit jeweils zwei Phosphatgruppen führt.

In zwei letzten und parallelen Reaktionsreihen verlieren die beiden phosphorylierten Drei-Kohlenstoff-Hälften des ursprünglichen Glucosemoleküls ihre Phosphatgruppen, um die beiden Pyruvatmoleküle zu bilden. Die endgültige Aufspaltung des Glucosemoleküls setzt Energie frei, die verwendet wird, um die Phosphatgruppen an ADP-Moleküle zu addieren und ATP zu bilden.

Jede Hälfte des Glucosemoleküls verliert seine beiden Phosphatgruppen und produziert das Pyruvatmolekül und zwei ATP-Moleküle.

Ort

Die Glykolyse findet im Zellzytosol statt, aber der Rest des Zellatmungsprozesses verlagert sich in die Mitochondrien. Die Glykolyse benötigt keinen Sauerstoff, aber sobald das Pyruvat in die Mitochondrien gelangt ist, wird Sauerstoff für alle weiteren Schritte benötigt.

Die Mitochondrien sind die Energiefabriken, die Sauerstoff und Pyruvat durch ihre äußere Membran eindringen lassen dann lassen Sie die Reaktionsprodukte Kohlendioxid und ATP zurück in die Zelle und weiter in den Kreislauf System.

Der Krebs-Zitronensäure-Zyklus produziert Elektronendonatoren

Das Zitronensäurezyklus ist eine Reihe zirkulärer chemischer Reaktionen, die NADH und FADH generates erzeugen2 Moleküle. Diese beiden Verbindungen treten in den nachfolgenden Schritt der Zellatmung ein, den Elektronentransportkette, und spenden die anfänglichen Elektronen, die in der Kette verwendet werden. Das resultierende NAD+ und FAD-Verbindungen werden in den Zitronensäurezyklus zurückgeführt, um wieder in ihr ursprüngliches NADH und FADH. umgewandelt zu werden2 Formen und recycelt.

Wenn die Drei-Kohlenstoff-Pyruvat-Moleküle in die Mitochondrien eintreten, verlieren sie eines ihrer Kohlenstoffmoleküle, um Kohlendioxid und eine Zwei-Kohlenstoff-Verbindung zu bilden. Dieses Reaktionsprodukt wird anschließend oxidiert und zu Coenzym A zu zweien formen Acetyl-CoA Moleküle. Im Verlauf des Zitronensäurezyklus werden die Kohlenstoffverbindungen mit einer Vier-Kohlenstoff-Verbindung verknüpft, um ein Sechs-Kohlenstoff-Citrat zu erzeugen.

In einer Reihe von Reaktionen setzt das Citrat zwei Kohlenstoffatome als Kohlendioxid frei und produziert 3 NADH, 1 ATP und 1 FADH2 Moleküle. Am Ende des Prozesses stellt der Zyklus die ursprüngliche Vier-Kohlenstoff-Verbindung wieder her und beginnt von neuem. Die Reaktionen finden im Inneren der Mitochondrien statt, und die NADH und FADH2 Moleküle nehmen dann an der Elektronentransportkette auf der inneren Membran der Mitochondrien teil.

Die Elektronentransportkette produziert die meisten ATP-Moleküle

Die Elektronentransportkette besteht aus vier Proteinkomplexe befindet sich auf der inneren Membran der Mitochondrien. NADH spendet Elektronen an den ersten Proteinkomplex, während FADH2 gibt seine Elektronen an den zweiten Proteinkomplex ab. Die Proteinkomplexe leiten die Elektronen in einer Reihe von Reduktions-Oxidations- oder Redox Reaktionen.

Während jeder Redoxstufe wird Energie freigesetzt und jeder Proteinkomplex verwendet sie zum Pumpen Protonen über die mitochondriale Membran in den Zwischenmembranraum zwischen der inneren und äußeren Membran. Die Elektronen gelangen zum vierten und letzten Proteinkomplex, wo Sauerstoffmoleküle als letzte Elektronenakzeptoren fungieren. Zwei Wasserstoffatome verbinden sich mit einem Sauerstoffatom zu Wassermolekülen.

Wenn die Konzentration der Protonen außerhalb der inneren Membran zunimmt, und Energiegradient etabliert, die dazu neigt, die Protonen durch die Membran zurück auf die Seite mit der niedrigeren Protonenkonzentration zu ziehen. Ein inneres Membranenzym namens ATP-Synthase bietet den Protonen einen Rückweg durch die innere Membran.

Während die Protonen die ATP-Synthase passieren, nutzt das Enzym die Protonenenergie, um ADP in ATP umzuwandeln, und speichert die Protonenenergie aus der Elektronentransportkette in den ATP-Molekülen.

Die Zellatmung beim Menschen ist ein einfaches Konzept mit komplexen Prozessen

Die komplexen biologischen und chemischen Prozesse, die die Atmung auf zellulärer Ebene ausmachen, beinhalten Enzyme, Protonenpumpen und Proteine, die auf molekularer Ebene auf sehr komplizierte Weise interagieren. Während die Zufuhr von Glukose und Sauerstoff einfache Substanzen sind, sind es die Enzyme und Proteine ​​nicht.

Ein Überblick über Glykolyse, der Krebs- oder Zitronensäurezyklus und die Elektronentransferkette helfen zu demonstrieren, wie die Zellatmung auf einer grundlegenden Ebene funktioniert, aber die tatsächliche Funktionsweise dieser Phasen ist viel komplexer.

Den Prozess der Zellatmung zu beschreiben ist auf konzeptioneller Ebene einfacher. Der Körper nimmt Nährstoffe und Sauerstoff auf und verteilt die Glukose in der Nahrung und den Sauerstoff bei Bedarf an die einzelnen Zellen. Die Zellen oxidieren die Glukosemoleküle, um chemische Energie, Kohlendioxid und Wasser zu produzieren.

Die Energie wird verwendet, um einem ADP-Molekül eine dritte Phosphatgruppe hinzuzufügen, um ATP zu bilden, und das Kohlendioxid wird über die Lunge ausgeschieden. ATP-Energie aus der dritten Phosphatbindung wird verwendet, um andere Zellfunktionen anzutreiben. So bildet die Zellatmung die Grundlage für alle anderen menschlichen Aktivitäten.

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