Stanično disanje kod ljudi

Svrha staničnog disanja je pretvoriti glukozu iz hrane u energiju.

Stanice razgrađuju glukozu u nizu složenih kemijskih reakcija i kombiniraju produkte reakcije s kisikom radi spremanja energije adenozin trifosfat (ATP) molekule. Molekule ATP koriste se za pokretanje aktivnosti stanica i djeluju kao univerzalni izvor energije za žive organizme.

Stanično disanje kod ljudi započinje u probavnom i dišnom sustavu. Hrana se probavlja u crijevima i pretvara u glukozu. Kisik se apsorbira u plućima i pohranjuje u crvene krvne stanice. Glukoza i kisik putuju u tijelo kroz krvožilni sustav da bi došli do stanica kojima je potrebna energija.

Stanice koriste glukozu i kisik iz krvožilnog sustava za proizvodnju energije. Oni otpadni produkt, ugljični dioksid, dopremaju natrag u crvene krvne stanice, a ugljični dioksid pušta se u atmosferu kroz pluća.

Dok probavni, dišni i krvožilni sustav igraju glavnu ulogu u ljudskom disanju, disanje na staničnoj razini odvija se unutar stanica i u mitohondriji stanica. Proces se može podijeliti u tri različita koraka:

• Glikoliza: Stanica razdvaja molekulu glukoze u staničnom citozolu.
  
• Krebsov ciklus (ili ciklus limunske kiseline): Niz cikličnih reakcija stvara donore elektrona koji se koriste u sljedećem koraku i odvijaju se u mitohondrijima.
• Lanac prijenosa elektrona: Posljednja serija reakcija koja koristi kisik za proizvodnju molekula ATP odvija se na unutarnjoj membrani mitohondrija.

U ukupnoj reakciji staničnog disanja, svaka molekula glukoze proizvodi 36 ili 38 molekula ATP, ovisno o tipu stanice. Stanično disanje kod ljudi kontinuiran je proces i zahtijeva kontinuiranu opskrbu kisikom. U nedostatku kisika, proces staničnog disanja zaustavlja se na glikolizi.

Svrha staničnog disanja je stvaranje molekula ATP kroz oksidacija glukoze.

Na primjer, formula staničnog disanja za proizvodnju 36 molekula ATP iz molekule glukoze je C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + energija (36ATP molekula). Molekule ATP pohranjuju energiju u svoje tri veze fosfatne skupine.

Energija koju stvara stanica pohranjuje se u vezi treće fosfatne skupine, koja se dodaje molekulama ATP tijekom staničnog procesa disanja. Kada je potrebna energija, treća fosfatna veza se prekida i koristi za kemijske reakcije stanica. An adenozin difosfat (ADP) molekula s dvije fosfatne skupine ostaje.

Tijekom staničnog disanja, energija iz procesa oksidacije koristi se za promjenu molekule ADP natrag u ATP dodavanjem treće fosfatne skupine. Tada je molekula ATP ponovno spremna za prekid ove treće veze kako bi oslobodila energiju koju ćelija koristi.

U glikolizi se molekula glukoze sa šest ugljika dijeli na dva dijela da bi nastala dva piruvat molekule u nizu reakcija. Nakon što molekula glukoze uđe u stanicu, njezine dvije polovice s tri ugljika dobivaju po dvije fosfatne skupine u dva odvojena koraka.

Prvo, dvije ATP molekule fosforilata dvije polovice molekule glukoze dodavanjem fosfatne skupine u svaku. Tada enzimi dodaju još jednu fosfatnu skupinu u svaku polovicu molekule glukoze, što rezultira dvjema polovicama molekula s tri ugljika, svaka s dvije fosfatne skupine.

U dvije završne i paralelne serije reakcija, dvije fosforilirane polovice tri ugljika izvorne molekule glukoze gube svoje fosfatne skupine da bi stvorile dvije molekule piruvata. Konačnim cijepanjem molekule glukoze oslobađa se energija koja se koristi za dodavanje fosfatnih skupina u molekule ADP i formiranje ATP.

Svaka polovica molekule glukoze gubi svoje dvije fosfatne skupine i stvara molekulu piruvata i dvije molekule ATP.

Glikoliza se odvija u staničnom citozolu, ali ostatak staničnog procesa disanja prelazi u mitohondriji. Za glikolizu nije potreban kisik, ali nakon što se piruvat preseli u mitohondrije, kisik je potreban za sve daljnje korake.

Mitohondriji su tvornice energije koje propuštaju kisik i piruvat kroz vanjsku membranu i zatim pustite da proizvodi reakcije ugljični dioksid i ATP izlaze natrag u stanicu i dalje u cirkulaciju sustav.

The ciklus limunske kiseline je niz kružnih kemijskih reakcija koje generiraju NADH i FADH₂ molekule. Ova dva spoja ulaze u sljedeći korak staničnog disanja, lanac za transport elektronai doniraju početne elektrone koji se koriste u lancu. Dobiveni NAD⁺ i FAD spojevi se vraćaju u ciklus limunske kiseline da bi se vratili u svoje izvorne NADH i FADH₂ oblici i reciklirani.

Kada molekule tri ugljikova piruvata uđu u mitohondrije, gube jednu od svojih molekula ugljika stvarajući ugljični dioksid i dvo ugljični spoj. Taj se reakcijski produkt naknadno oksidira i spoji koenzim A da tvore dva acetil CoA molekule. Tijekom ciklusa limunske kiseline, ugljikovi spojevi su povezani sa spojem od četiri ugljika da bi se dobio šest-ugljikov citrat.

U nizu reakcija, citrat oslobađa dva atoma ugljika kao ugljični dioksid i stvara 3 NADH, 1 ATP i 1 FADH₂ molekule. Na kraju postupka, ciklus ponovno sačinjava izvorni spoj od četiri ugljika i započinje iznova. Reakcije se odvijaju u unutrašnjosti mitohondrija te NADH i FADH₂ molekule tada sudjeluju u lancu transporta elektrona na unutarnjoj membrani mitohondrija.

Lanac prijenosa elektrona čine četiri proteinski kompleksi smještene na unutarnjoj membrani mitohondrija. NADH donira elektrone prvom proteinskom kompleksu dok FADH₂ daje svoje elektrone drugom proteinskom kompleksu. Proteinski kompleksi propuštaju elektrone niz transportni lanac u nizu redukcijsko-oksidacijskih ili redoks reakcije.

Energija se oslobađa tijekom svake redoks faze, a svaki proteinski kompleks koristi je za pumpanje protoni preko mitohondrijske membrane u među-membranski prostor između unutarnje i vanjske membrane. Elektroni prolaze do četvrtog i završnog proteinskog kompleksa gdje molekule kisika djeluju kao konačni akceptiri elektrona. Dva atoma vodika kombiniraju se s atomom kisika i tvore molekule vode.

Kako se koncentracija protona izvan unutarnje membrane povećava, an gradijent energije uspostavlja se, nastojeći privući protone natrag preko membrane na onu stranu koja ima nižu koncentraciju protona. Enzim unutarnje membrane tzv ATP sintaza nudi protonima prolaz natrag kroz unutarnju membranu.

Kako protoni prolaze kroz ATP sintazu, enzim koristi protonsku energiju za promjenu ADP u ATP, pohranjujući protonsku energiju iz lanca transporta elektrona u molekulama ATP.

Složeni biološki i kemijski procesi koji čine disanje na staničnoj razini uključuju enzime, protonske pumpe i proteine ​​koji na molekularnoj razini djeluju na vrlo komplicirane načine. Iako su unosi glukoze i kisika jednostavne tvari, enzimi i proteini nisu.

Pregled glikoliza, Krebsov ili ciklus limunske kiseline i lanac prijenosa elektrona pomažu pokazati kako stanično disanje djeluje na osnovnoj razini, ali stvarni rad ovih stadija mnogo je složeniji.

Opisati proces staničnog disanja jednostavnije je na konceptualnoj razini. Tijelo unosi hranjive sastojke i kisik te po potrebi distribuira glukozu u hrani i kisik u pojedine stanice. Stanice oksidiraju molekule glukoze da bi proizvele kemijsku energiju, ugljični dioksid i vodu.

Energija se koristi za dodavanje treće fosfatne skupine molekuli ADP za stvaranje ATP, a ugljični dioksid se eliminira kroz pluća. ATP energija iz treće fosfatne veze koristi se za napajanje ostalih funkcija stanica. Tako stanično disanje čini osnovu za sve ostale ljudske aktivnosti.