Rakuline hingamine inimestel

Rakuhingamise eesmärk on muuta toidust saadud glükoos energiaks.

Rakud lagundavad glükoosi keerulistes keemilistes reaktsioonides ja ühendavad reaktsioonisaadused hapnikuga energia salvestamiseks adenosiinitrifosfaat (ATP) molekulid. ATP molekule kasutatakse rakkude aktiivsuse suurendamiseks ja need toimivad elusorganismide universaalse energiaallikana.

Rakuhingamine inimestel algab seede- ja hingamissüsteemist. Toit seeditakse soolestikus ja muundatakse glükoosiks. Hapnik imendub kopsudes ja salvestub punastesse verelibledesse. Glükoos ja hapnik liiguvad vereringesüsteemi kaudu kehasse, et jõuda energiat vajavate rakkudeni.

Rakud kasutavad energia tootmiseks vereringesüsteemi glükoosi ja hapnikku. Nad toimetavad jääkaine, süsinikdioksiidi tagasi punastele verelibledele ja süsinikdioksiid eraldub atmosfääri kopsude kaudu.

Kui seede-, hingamis- ja vereringesüsteemil on inimese hingamisel suur roll, toimub rakulisel tasemel hingamine rakkudes ja mitokondrid rakkudest. Protsessi võib jagada kolmeks erinevaks etapiks:

• Glükolüüs: Rakk lõhustab glükoosi molekuli raku tsütosoolis.
  
• Krebsi tsükkel (või sidrunhappetsükkel): Tsükliliste reaktsioonide seeria toodab järgmises etapis kasutatud elektronidoonoreid ja toimub mitokondrites.
• Elektroni transpordiahel: Viimane reaktsioonide seeria, mis kasutab hapnikku ATP molekulide tootmiseks, toimub mitokondrite sisemembraanil.

Rakulise hingamise üldises reaktsioonis toodab iga glükoosi molekul 36 või 38 ATP molekuli, sõltuvalt lahtritüübist. Inimeste rakuline hingamine on pidev protsess ja nõuab pidevat hapnikuvarustust. Hapniku puudumisel peatub rakuline hingamisprotsess glükolüüsil.

Rakuhingamise eesmärk on toota ATP molekule oksüdeerumine glükoosi.

Näiteks on rakuhingamise valem 36 ATP molekuli tootmiseks glükoosi molekulist C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + energia (36ATP molekuli). ATP molekulid salvestavad energiat oma kolmes fosfaatrühma sidemed.

Raku toodetud energia salvestatakse kolmanda fosfaatrühma sidemesse, mis lisatakse raku hingamisprotsessi käigus ATP molekulidele. Kui energiat on vaja, katkeb kolmas fosfaatside ja seda kasutatakse raku keemilisteks reaktsioonideks. An adenosiindifosfaat (ADP) molekul kahe fosfaatrühmaga.

Rakuhingamise ajal kasutatakse oksüdeerimisprotsessi energiat, et muuta ADP molekul ATP-ks, lisades kolmanda fosfaatrühma. Seejärel on ATP molekul taas valmis seda kolmandat sidet purustama, et raku jaoks energiat eraldada.

Glükolüüsil jagatakse kuue süsinikuga glükoosimolekul kaheks osaks, moodustades kaks püruvaat molekulid reaktsioonide reas. Pärast glükoosimolekuli sisenemist rakku saavad selle kaks kolme süsinikuga pool mõlemad kaks fosfaatrühma kahes eraldi etapis.

Esiteks kaks ATP molekuli fosforülaat glükoosi molekuli kaks poolt, lisades mõlemale fosfaatrühma. Seejärel lisavad ensüümid glükoosimolekuli mõlemale poolele veel ühe fosfaatrühma, mille tulemuseks on kaks kolme süsinikuga molekuli poolt, millest mõlemal on kaks fosfaatrühma.

Kahes viimases ja paralleelses reaktsioonide seerias kaotavad algse glükoosi molekuli kaks fosforüülitud kolme süsinikuga pool oma fosfaatrühmad, moodustades kaks püruvaadi molekuli. Glükoosimolekuli lõplik jagamine vabastab energiat, mida kasutatakse fosfaatrühmade lisamiseks ADP molekulidesse ja ATP moodustamiseks.

Kumbki pool glükoosimolekulist kaotab oma kaks fosfaatrühma ning toodab püruvaadi molekuli ja kaks ATP molekuli.

Glükolüüs toimub raku tsütosoolis, kuid ülejäänud raku hingamisprotsess liigub mitokondrid. Glükolüüs ei vaja hapnikku, kuid kui püruvaat on liikunud mitokondritesse, on kõigi edasiste sammude jaoks vaja hapnikku.

Mitokondrid on energiatehased, mis lasevad hapnikul ja püruvaadil siseneda läbi oma välimise membraani ja seejärel laske reaktsioonisaadustel süsinikdioksiid ja ATP väljuda rakust tagasi ja edasi vereringesse süsteemi.

The sidrunhappetsükkel on ümmarguste keemiliste reaktsioonide jada, mis tekitab NADH ja FADH₂ molekulid. Need kaks ühendit sisenevad rakuhingamise järgmisse etappi elektronide transpordiahelja annetage ahelas kasutatud algsed elektronid. Saadud NAD⁺ ja FAD ühendid viiakse tagasi sidrunhappe tsüklisse, et need saaksid tagasi oma algseteks NADH ja FADH₂ vormid ja taaskasutatud.

Kui kolme süsinikuga püruvaadi molekulid sisenevad mitokondritesse, kaotavad nad ühe oma süsiniku molekulist, moodustades süsinikdioksiidi ja kahe süsiniku ühendi. Seejärel reaktsioonisaadus oksüdeeritakse ja ühendatakse koensüüm A moodustada kaks atsetüül CoA molekulid. Sidrunhappetsükli jooksul on süsinikuühendid seotud nelja süsinikühendiga, saades kuue süsinikuga tsitraadi.

Reaktsioonide seerias eraldab sitraat kaks süsinikdioksiidina süsinikuaatomit ja toodab 3 NADH, 1 ATP ja 1 FADH₂ molekulid. Protsessi lõpus moodustab tsükkel uuesti algse nelja süsinikuühendi ja algab uuesti. Reaktsioonid toimuvad mitokondrite sisemuses ning NADH ja FADH₂ molekulid osalevad seejärel mitokondrite sisemembraanil olevas elektronide transpordiahelas.

Elektroni transpordiahel koosneb neljast valgukompleksid mis asub mitokondrite sisemembraanil. NADH annetab esimesele valgukompleksile elektronid, samas kui FADH₂ annab oma elektronid teisele valgukompleksile. Valgukompleksid läbivad elektronid transpordiahelas reduktsiooni-oksüdatsiooni või redoks reaktsioonid.

Energia vabaneb igas redoksietapis ja iga valgukompleks kasutab seda pumpamiseks prootonid mitokondriaalse membraani kaudu sisemise ja välimise membraani vahelises membraanidevahelises ruumis. Elektronid läbivad neljanda ja viimase valgu kompleksi, kus hapniku molekulid toimivad lõplike elektronide aktseptoritena. Kaks vesiniku aatomit koos hapnikuaatomiga moodustavad veemolekulid.

Kui prootonite kontsentratsioon väljaspool sisemembraani suureneb, an energiagradient on prootoneid tagasi meelitanud üle membraani küljele, millel on madalam prootonikontsentratsioon. Sisemembraani ensüüm nn ATP süntaas pakub prootonitele tagasipääsu läbi sisemise membraani.

Kui prootonid läbivad ATP süntaasi, kasutab ensüüm prootonienergiat ADP muutmiseks ATP-ks, talletades elektronide transpordiahelast pärinevat prootonenergiat ATP molekulides.

Keerulised bioloogilised ja keemilised protsessid, mis moodustavad rakutasandil hingamise, hõlmavad ensüüme, prootonpumpasid ja valke, mis toimivad molekulaarsel tasandil väga keerulisel viisil. Kui glükoosi ja hapniku sisendid on lihtsad ained, siis ensüümid ja valgud mitte.

Ülevaade glükolüüs, Krebsi ehk sidrunhappetsükkel ja elektronide ülekandeahel aitavad näidata, kuidas rakuhingamine põhitasandil töötab, kuid nende etappide tegelik toimimine on palju keerulisem.

Rakulise hingamise protsessi kirjeldamine on kontseptuaalsel tasandil lihtsam. Keha võtab sisse toitaineid ja hapnikku ning jaotab toidus sisalduva glükoosi ja hapniku vastavalt vajadusele üksikutele rakkudele. Rakud oksüdeerivad glükoosimolekule, saades keemilist energiat, süsinikdioksiidi ja vett.

Energiat kasutatakse kolmanda fosfaatrühma lisamiseks ADP molekulile ATP moodustamiseks ja süsinikdioksiid elimineeritakse kopsude kaudu. Kolmanda fosfaatsideme abil saadud ATP energiat kasutatakse raku muude funktsioonide toitmiseks. Nii moodustab rakuline hingamine kogu muu inimtegevuse aluse.