Κυτταρική αναπνοή στους ανθρώπους

Ο σκοπός της κυτταρικής αναπνοής είναι να μετατρέψει τη γλυκόζη από τα τρόφιμα σε ενέργεια.

Τα κύτταρα διασπώνουν τη γλυκόζη σε μια σειρά πολύπλοκων χημικών αντιδράσεων και συνδυάζουν τα προϊόντα αντίδρασης με οξυγόνο για να αποθηκεύουν ενέργεια τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP) μόρια. Τα μόρια ATP χρησιμοποιούνται για την ενεργοποίηση των δραστηριοτήτων των κυττάρων και ενεργούν ως η καθολική πηγή ενέργειας για τους ζωντανούς οργανισμούς.

Κυτταρική αναπνοή στους ανθρώπους ξεκινά στο πεπτικό και αναπνευστικό σύστημα. Η τροφή χωνεύεται στα έντερα και μετατρέπεται σε γλυκόζη. Το οξυγόνο απορροφάται στους πνεύμονες και αποθηκεύεται σε ερυθρά αιμοσφαίρια. Η γλυκόζη και το οξυγόνο ταξιδεύουν 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 παραγωγή ενέργειας. Παραδίδουν το απόβλητο, διοξείδιο του άνθρακα, πίσω στα ερυθρά αιμοσφαίρια και το διοξείδιο του άνθρακα απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα μέσω των πνευμόνων.

Ενώ το πεπτικό, αναπνευστικό και κυκλοφορικό σύστημα παίζουν σημαντικό ρόλο στην ανθρώπινη αναπνοή, η αναπνοή σε κυτταρικό επίπεδο λαμβάνει χώρα μέσα στα κύτταρα και στο μιτοχόνδρια των κυττάρων. Η διαδικασία μπορεί να χωριστεί σε τρία διαφορετικά βήματα:

• Γλυκόλυση: Το κύτταρο διαιρεί το μόριο γλυκόζης στο κυτταρικό κυτταρικό.
  
• Κύκλος Krebs (ή κύκλος κιτρικού οξέος): Μια σειρά κυκλικών αντιδράσεων παράγει τους δότες ηλεκτρονίων που χρησιμοποιούνται στο επόμενο βήμα και λαμβάνει χώρα στα μιτοχόνδρια.
• Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων: Η τελική σειρά αντιδράσεων που χρησιμοποιεί οξυγόνο για την παραγωγή μορίων ΑΤΡ λαμβάνει χώρα στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων.

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

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

Για παράδειγμα, ο τύπος κυτταρικής αναπνοής για την παραγωγή 36 ATP μορίων από ένα μόριο γλυκόζης είναι C₆Η₁₂Ο₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6Η₂Ενέργεια Ο + (μόρια 36ΑΤΡ). Τα μόρια ATP αποθηκεύουν ενέργεια στα τρία τους δεσμοί φωσφορικών ομάδων.

Η ενέργεια που παράγεται από το κύτταρο αποθηκεύεται στον δεσμό της τρίτης φωσφορικής ομάδας, η οποία προστίθεται στα μόρια ΑΤΡ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κυτταρικής αναπνοής. Όταν απαιτείται ενέργεια, ο τρίτος δεσμός φωσφορικών σπάει και χρησιμοποιείται για χημικές αντιδράσεις κυττάρων. Ενα διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) μόριο με δύο φωσφορικές ομάδες απομένουν.

Κατά τη διάρκεια της κυτταρικής αναπνοής, η ενέργεια από τη διαδικασία οξείδωσης χρησιμοποιείται για να αλλάξει το μόριο ADP σε ATP προσθέτοντας μια τρίτη φωσφορική ομάδα. Το μόριο ΑΤΡ είναι και πάλι έτοιμο να σπάσει αυτόν τον τρίτο δεσμό για να απελευθερώσει ενέργεια για τη χρήση του κυττάρου.

Στη γλυκόλυση, ένα μόριο γλυκόζης έξι-άνθρακα χωρίζεται σε δύο μέρη για να σχηματίσει δύο πυροσταφυλικό μόρια σε μια σειρά αντιδράσεων. Αφού το μόριο γλυκόζης εισέλθει στο κύτταρο, τα δύο μισά του με τρεις άνθρακες λαμβάνουν το καθένα δύο ομάδες φωσφορικών σε δύο ξεχωριστά στάδια.

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

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

Κάθε μισό από το μόριο γλυκόζης χάνει τις δύο φωσφορικές ομάδες και παράγει το πυροσταφυλικό μόριο και δύο ATP μόρια.

Η γλυκόλυση λαμβάνει χώρα στο κυτταρόλυμα κυττάρου, αλλά η υπόλοιπη διαδικασία κυτταρικής αναπνοής μετακινείται στο μιτοχόνδρια. Η γλυκόλυση δεν απαιτεί οξυγόνο, αλλά μόλις το πυροσταφυλικό μετακινηθεί στα μιτοχόνδρια, απαιτείται οξυγόνο για όλα τα περαιτέρω στάδια.

Τα μιτοχόνδρια είναι τα ενεργειακά εργοστάσια που αφήνουν το οξυγόνο και το πυροσταφυλικό να εισέλθουν μέσω της εξωτερικής τους μεμβράνης και Στη συνέχεια, αφήστε τα προϊόντα αντίδρασης διοξείδιο του άνθρακα και ATP να εξέλθουν πίσω στο κύτταρο και να περάσουν στην κυκλοφορία Σύστημα.

ο κύκλος του κιτρικού οξέος είναι μια σειρά από κυκλικές χημικές αντιδράσεις που παράγουν NADH και FADH₂ μόρια. Αυτές οι δύο ενώσεις εισέρχονται στο επόμενο στάδιο της κυτταρικής αναπνοής, το αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίωνκαι δωρίστε τα αρχικά ηλεκτρόνια που χρησιμοποιούνται στην αλυσίδα. Το προκύπτον NAD⁺ και οι ενώσεις FAD επιστρέφονται στον κύκλο κιτρικού οξέος για να αλλάξουν πίσω στα αρχικά NADH και FADH₂ φόρμες και ανακυκλώνονται.

Όταν τα μόρια πυροσταφυλικού τριών 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 σχηματίσετε δύο ακετυλο CoA μόρια. Κατά τη διάρκεια του κύκλου του κιτρικού οξέος, οι ενώσεις άνθρακα συνδέονται με μια ένωση τεσσάρων άνθρακα για την παραγωγή κιτρικού έξι-άνθρακα.

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

Η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων αποτελείται από τέσσερις πρωτεϊνικά συμπλέγματα βρίσκεται στην εσωτερική μεμβράνη των μιτοχονδρίων. Το NADH δωρίζει ηλεκτρόνια στο πρώτο πρωτεϊνικό σύμπλοκο ενώ το FADH₂ δίνει τα ηλεκτρόνια του στο δεύτερο πρωτεϊνικό σύμπλοκο. Τα πρωτεϊνικά σύμπλοκα περνούν τα ηλεκτρόνια κάτω από την αλυσίδα μεταφοράς σε μια σειρά αναγωγής-οξείδωσης ή redox αντιδράσεις.

Η ενέργεια απελευθερώνεται σε κάθε στάδιο οξειδοαναγωγής, και κάθε πρωτεϊνικό σύμπλοκο την χρησιμοποιεί για άντληση πρωτόνια κατά μήκος της μιτοχονδριακής μεμβράνης στον ενδιάμεσο χώρο μεταξύ της εσωτερικής και της εξωτερικής μεμβράνης. Τα ηλεκτρόνια περνούν στο τέταρτο και τελευταίο σύμπλοκο πρωτεΐνης όπου τα μόρια οξυγόνου δρουν ως οι τελικοί δέκτες ηλεκτρονίων. Δύο άτομα υδρογόνου συνδυάζονται με ένα άτομο οξυγόνου για να σχηματίσουν μόρια νερού.

Καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση των πρωτονίων έξω από την εσωτερική μεμβράνη, ένα ενεργειακή κλίση είναι εγκατεστημένο, τείνει να προσελκύσει τα πρωτόνια πίσω από τη μεμβράνη στην πλευρά που έχει τη χαμηλότερη συγκέντρωση πρωτονίων. Ένα ένζυμο εσωτερικής μεμβράνης που ονομάζεται Σύνθεση ATP προσφέρει στα πρωτόνια ένα πέρασμα πίσω από την εσωτερική μεμβράνη.

Καθώς τα πρωτόνια περνούν από τη συνθετάση ΑΤΡ, το ένζυμο χρησιμοποιεί την ενέργεια πρωτονίων για να αλλάξει την ΑϋΡ σε ΑΤΡ, αποθηκεύοντας την ενέργεια πρωτονίων από την αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων στα μόρια ΑΤΡ.

Οι πολύπλοκες βιολογικές και χημικές διεργασίες που συνθέτουν την 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 του γλυκόλυση, ο κύκλος Krebs ή κιτρικού οξέος και η αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων αποδεικνύουν πώς λειτουργεί η κυτταρική αναπνοή σε βασικό επίπεδο, αλλά η πραγματική λειτουργία αυτών των σταδίων είναι πολύ πιο περίπλοκη.

Η περιγραφή της διαδικασίας της κυτταρικής αναπνοής είναι απλούστερη σε εννοιολογικό επίπεδο. Το σώμα λαμβάνει θρεπτικά συστατικά και οξυγόνο και διανέμει τη γλυκόζη στα τρόφιμα και το οξυγόνο σε μεμονωμένα κύτταρα, όπως απαιτείται. Τα κύτταρα οξειδώνουν τα μόρια γλυκόζης για να παράγουν χημική ενέργεια, διοξείδιο του άνθρακα και νερό.

Η ενέργεια χρησιμοποιείται για την προσθήκη μιας τρίτης φωσφορικής ομάδας σε ένα μόριο ADP για το σχηματισμό ΑΤΡ και το διοξείδιο του άνθρακα αποβάλλεται μέσω των πνευμόνων. Η ενέργεια ΑΤΡ από τον τρίτο δεσμό φωσφορικού χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία άλλων κυτταρικών λειτουργιών. Έτσι η κυτταρική αναπνοή αποτελεί τη βάση για όλες τις άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες.