Soluhengitys ihmisillä

Soluhengityksen tarkoitus on muuntaa ruoasta saatu glukoosi energiaksi.

Solut hajottavat glukoosin monimutkaisissa kemiallisissa reaktioissa ja yhdistävät reaktiotuotteet hapen kanssa energian varastoimiseksi adenosiinitrifosfaatti (ATP) -molekyylit. ATP-molekyylejä käytetään solutoiminnan tehostamiseen ja ne toimivat elävien organismien yleisenä energialähteenä.

Soluhengitys ihmisillä alkaa ruoansulatuskanavasta ja hengityselimistä. Ruoka pilkotaan suolistossa ja muunnetaan glukoosiksi. Happi imeytyy keuhkoihin ja varastoituu punasoluihin. Glukoosi ja happi kulkeutuvat kehoon verenkiertoelimen kautta päästäkseen soluihin, jotka tarvitsevat energiaa.

Solut käyttävät verenkiertoelimistön glukoosia ja happea energiantuotantoon. Ne toimittavat jätetuotteen, hiilidioksidin, takaisin punasoluihin ja hiilidioksidia vapautuu ilmakehään keuhkojen kautta.

Ruoansulatus-, hengitys- ja verenkiertoelimistöllä on tärkeä rooli ihmisen hengityksessä, mutta hengitys solutasolla tapahtuu solujen sisällä ja mitokondrioita soluista. Prosessi voidaan jakaa kolmeen erilliseen vaiheeseen:

• Glykolyysi: Solu jakaa glukoosimolekyylin solun sytosolissa.
  
• Krebsin sykli (tai sitruunahapposykli): Sarja syklisiä reaktioita tuottaa seuraavassa vaiheessa käytettyjä elektronidonoreita ja tapahtuu mitokondrioissa.
• Elektronin siirtoketju: Viimeinen reaktiosarja, joka käyttää happea ATP-molekyylien tuottamiseen, tapahtuu mitokondrioiden sisäkalvolla.

Solun kokonaishengitysreaktiossa kukin glukoosimolekyyli tuottaa 36 tai 38 ATP-molekyyliä, solutyypistä riippuen. Ihmisen soluhengitys on jatkuva prosessi ja vaatii jatkuvaa hapen saantia. Hapen puuttuessa soluhengitysprosessi pysähtyy glykolyysissä.

Soluhengityksen tarkoitus on tuottaa ATP-molekyylejä hapettuminen glukoosia.

Esimerkiksi soluhengityskaava 36 ATP-molekyylin tuottamiseksi glukoosimolekyylistä on C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + energia (36ATP-molekyyliä). ATP-molekyylit varastoivat energiaa kolmeen fosfaattiryhmän sidokset.

Solun tuottama energia varastoidaan kolmannen fosfaattiryhmän sidokseen, joka lisätään ATP-molekyyleihin soluhengitysprosessin aikana. Kun energiaa tarvitaan, kolmas fosfaattisidos rikkoutuu ja sitä käytetään solujen kemiallisiin reaktioihin. An adenosiinidifosfaatti (ADP) -molekyyli kahdella fosfaattiryhmällä jäljellä.

Soluhengityksen aikana hapetusprosessin energiaa käytetään muuttamaan ADP-molekyyli takaisin ATP: ksi lisäämällä kolmas fosfaattiryhmä. ATP-molekyyli on sitten jälleen valmis rikkomaan tämän kolmannen sidoksen vapauttamaan energiaa solun käytettäväksi.

Glykolyysissä kuuden hiilen glukoosimolekyyli jaetaan kahteen osaan muodostamaan kaksi pyruvaatti molekyylejä reaktiosarjassa. Sen jälkeen kun glukoosimolekyyli on saapunut soluun, sen kaksi kolmihiilisestä puolikkaasta saavat kumpikin kaksi fosfaattiryhmää kahdessa erillisessä vaiheessa.

Ensinnäkin kaksi ATP-molekyyliä fosforylaatti glukoosimolekyylin kaksi puolta lisäämällä fosfaattiryhmä kuhunkin. Sitten entsyymit lisäävät vielä yhden fosfaattiryhmän kumpaankin glukoosimolekyylin puolikkaaseen, jolloin saadaan kaksi kolmen hiilen molekyylipuoliskoa, joista jokaisella on kaksi fosfaattiryhmää.

Kahdessa viimeisessä ja rinnakkaisessa reaktiosarjassa alkuperäisen glukoosimolekyylin kaksi fosforyloitua kolmen hiilen puoliskoa menettävät fosfaattiryhmänsä muodostaen kaksi pyruvaattimolekyyliä. Glukoosimolekyylin lopullinen jakaminen vapauttaa energiaa, jota käytetään fosfaattiryhmien lisäämiseen ADP-molekyyleihin ja ATP: n muodostamiseen.

Kukin puoli glukoosimolekyylistä menettää kaksi fosfaattiryhmäänsä ja tuottaa pyruvaattimolekyylin ja kaksi ATP-molekyyliä.

Glykolyysi tapahtuu solusytosolissa, mutta loppu soluhengitysprosessista siirtyy soluun mitokondrioita. Glykolyysi ei vaadi happea, mutta kun pyruvaatti on siirtynyt mitokondrioihin, happea tarvitaan kaikissa jatkovaiheissa.

Mitokondriot ovat energiatehtaita, jotka antavat hapen ja pyruvaatin päästä ulkokalvonsa läpi ja anna reaktiotuotteiden hiilidioksidin ja ATP: n poistua takaisin soluun ja edelleen verenkiertoon järjestelmään.

sitruunahapposykli on sarja pyöreitä kemiallisia reaktioita, jotka tuottavat NADH: ta ja FADH: ta₂ molekyylejä. Nämä kaksi yhdistettä tulevat seuraavaan soluhengityksen vaiheeseen, elektronien siirtoketjuja lahjoita ketjussa käytetyt alkuperäiset elektronit. Tuloksena oleva NAD⁺ ja FAD-yhdisteet palautetaan sitruunahapposykliin ja vaihdetaan takaisin alkuperäisiin NADH- ja FADH-yhdisteisiin₂ lomakkeet ja kierrätetään.

Kun kolmen hiilen pyruvaattimolekyylit menevät mitokondrioihin, ne menettävät yhden hiilimolekyylistään muodostaen hiilidioksidia ja kahden hiilen yhdistettä. Tämä reaktiotuote hapetetaan sen jälkeen ja liitetään koentsyymi A muodostamaan kaksi asetyyli CoA molekyylejä. Sitruunahapposyklin aikana hiiliyhdisteet liitetään nelihiiliseen yhdisteeseen kuuden hiilisitraatin tuottamiseksi.

Reaktiosarjassa sitraatti vapauttaa kaksi hiiliatomia hiilidioksidina ja tuottaa 3 NADH: ta, 1 ATP: tä ja 1 FADH: ta₂ molekyylejä. Prosessin lopussa sykli muodostaa alkuperäisen nelihiilisen yhdisteen ja alkaa uudelleen. Reaktiot tapahtuvat mitokondrioiden sisätiloissa sekä NADH: ssa ja FADH: ssa₂ sitten molekyylit osallistuvat mitokondrioiden sisäkalvon elektronikuljetusketjuun.

Elektronin siirtoketju koostuu neljästä proteiinikompleksit mitokondrioiden sisäkalvolla. NADH lahjoittaa elektroneja ensimmäiselle proteiinikompleksille samalla kun FADH₂ antaa elektroninsa toiseen proteiinikompleksiin. Proteiinikompleksit kuljettavat elektronit kuljetusketjussa alas pelkistys-hapettumisen tai redox reaktioita.

Energia vapautuu jokaisen redoksivaiheen aikana, ja kukin proteiinikompleksi käyttää sitä pumppaamiseen protonit mitokondriomembraanin läpi sisä- ja ulkokalvojen väliseen kalvojen väliseen tilaan. Elektronit kulkeutuvat neljänteen ja viimeiseen proteiinikompleksiin, jossa happimolekyylit toimivat lopullisina elektronin vastaanottajana. Kaksi vetyatomia yhdistyvät happiatomin kanssa muodostaen vesimolekyylejä.

Kun protonien pitoisuus sisäkalvon ulkopuolella kasvaa, an energigradientti on muodostunut, ja pyrkii houkuttelemaan protoneja takaisin kalvon yli sille puolelle, jolla on alhaisempi protonipitoisuus. Sisäkalvoentsyymiä kutsutaan ATP-syntaasi tarjoaa protoneille kulun takaisin sisäkalvon läpi.

Kun protonit kulkevat ATP-syntaasin läpi, entsyymi käyttää protonienergiaa vaihtaakseen ADP: n ATP: ksi, varastoen elektroninsiirtoketjun protoni-energian ATP-molekyyleihin.

Monimutkaiset biologiset ja kemialliset prosessit, jotka muodostavat hengityksen solutasolla, sisältävät entsyymejä, protonipumppuja ja proteiineja, jotka ovat vuorovaikutuksessa molekyylitasolla hyvin monimutkaisilla tavoilla. Vaikka glukoosin ja hapen syötteet ovat yksinkertaisia ​​aineita, entsyymit ja proteiinit eivät ole.

Yleiskatsaus glykolyysi, Krebs- tai sitruunahapposykli ja elektroninsiirtoketju auttavat osoittamaan, miten soluhengitys toimii perustasolla, mutta näiden vaiheiden todellinen toiminta on paljon monimutkaisempi.

Soluhengityksen prosessin kuvaaminen on yksinkertaisempaa käsitteellisellä tasolla. Elimistö ottaa ravintoaineita ja happea ja jakaa glukoosin ruoassa ja hapen yksittäisiin soluihin tarpeen mukaan. Solut hapettavat glukoosimolekyylit kemiallisen energian, hiilidioksidin ja veden tuottamiseksi.

Energiaa käytetään kolmannen fosfaattiryhmän lisäämiseen ADP-molekyyliin ATP: n muodostamiseksi ja hiilidioksidi poistuu keuhkojen kautta. Kolmannen fosfaattisidoksen ATP-energiaa käytetään muiden solutoimintojen tehostamiseen. Siten soluhengitys muodostaa perustan kaikelle muulle ihmisen toiminnalle.