נשימה תאית בבני אדם

מטרת הנשימה התאית היא להמיר גלוקוז מהמזון לאנרגיה.

תאים מפרקים גלוקוז בסדרה של תגובות כימיות מורכבות ומשלבים את מוצרי התגובה עם חמצן לאחסון אנרגיה אדנוזין טרי פוספט מולקולות (ATP). מולקולות ה- ATP משמשות להפעלת פעילויות תאים ולפעול כמקור אנרגיה אוניברסלי לאורגניזמים חיים.

נשימה תאית בבני אדם מתחיל במערכת העיכול והנשימה. המזון מתעכל במעיים ומומר לגלוקוז. חמצן נספג בריאות ומאוחסן בתאי הדם האדומים. הגלוקוז והחמצן עוברים לגוף דרך מערכת הדם כדי להגיע לתאים הזקוקים לאנרגיה.

התאים משתמשים בגלוקוז ובחמצן ממערכת הדם לייצור אנרגיה. הם מעבירים את תוצרת הפסולת, הפחמן הדו-חמצני, לתאי הדם האדומים והפחמן הדו-חמצני משוחרר לאטמוספירה דרך הריאות.

בעוד שמערכת העיכול, הנשימה והמחזור ממלאים תפקיד מרכזי בנשימה האנושית, הנשימה ברמה התאית מתרחשת בתוך התאים וב מיטוכונדריה של התאים. ניתן לפרק את התהליך לשלושה שלבים נפרדים:

• גליקוליזה: התא מפצל את מולקולת הגלוקוזה בציטוזול התא.
  
• מחזור קרבס (או מחזור חומצות לימון): סדרה של תגובות מחזוריות מייצרת את תורמי האלקטרונים המשמשים בשלב הבא ומתרחשת במיטוכונדריה.
• שרשרת הובלת האלקטרונים:
  instagram story viewer
  סדרת התגובות הסופית המשתמשת בחמצן לייצור מולקולות ATP מתרחשת על הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה.

בתגובת הנשימה התאית הכוללת, כל מולקולת גלוקוז מייצרת 36 או 38 מולקולות של ATP, תלוי בסוג התא. נשימה תאית בבני אדם היא תהליך מתמשך ודורש אספקת חמצן רציפה. בהיעדר חמצן, תהליך הנשימה התאית נעצר בגליקוליזה.

מטרת הנשימה של התא היא לייצר מולקולות ATP דרך ה- חִמצוּן של גלוקוז.

לדוגמא, נוסחת הנשימה התאית לייצור 36 מולקולות ATP ממולקולת גלוקוז היא C₆ה₁₂או₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂אנרגיה O + (מולקולות 36ATP). מולקולות ה- ATP מאחסנות אנרגיה בשלושתן קשרים בקבוצת פוספט.

האנרגיה שמייצר התא מאוחסנת בקשר של קבוצת הפוספט השלישית, שמתווספת למולקולות ה- ATP בתהליך הנשימה התאית. כאשר האנרגיה נדרשת, הקשר הפוספט השלישי נשבר ומשמש לתגובות כימיות בתאים. An אדנוזין דיפוספט מולקולה (ADP) עם שתי קבוצות פוספט נותר.

במהלך הנשימה התאית, האנרגיה מתהליך החמצון משמשת לשינוי מולקולת ADP בחזרה ל- ATP על ידי הוספת קבוצת פוספט שלישית. מולקולת ה- ATP מוכנה שוב לשבור את הקשר השלישי הזה כדי לשחרר אנרגיה לשימוש התא.

בגליקוליזה, מולקולת גלוקוז בת שש פחמן מחולקת לשני חלקים כדי ליצור שניים פירובט מולקולות בסדרת תגובות. לאחר שמולקולת הגלוקוז נכנסת לתא, שני חצאי שלוש הפחמנים שלה מקבלים כל אחת שתי קבוצות פוספט בשני שלבים נפרדים.

ראשית, שתי מולקולות ATP זרחן את שני חצאי מולקולת הגלוקוז על ידי הוספת קבוצת פוספט לכל אחת. לאחר מכן אנזימים מוסיפים קבוצת פוספט אחת נוספת לכל אחד מחצאי מולקולת הגלוקוז, וכתוצאה מכך שני חצאי מולקולות שלוש פחמן, כל אחד עם שתי קבוצות פוספט.

בשתי סדרות אחרונות ותגובות מקבילות, שני חצאי הפחמן השלושה פחמניים של מולקולת הגלוקוז המקורית מאבדים את קבוצות הפוספט שלהם ויוצרים את שתי מולקולות הפירובט. הפיצול הסופי של מולקולת הגלוקוז משחרר אנרגיה המשמשת להוספת קבוצות הפוספט למולקולות ADP וליצירת ATP.

כל מחצית ממולקולת הגלוקוז מאבדת משתי קבוצות הפוספט ומייצרת את מולקולת פירובט ושתי מולקולות ATP.

גליקוליזה מתרחשת בציטוזול התא, אך שאר תהליך הנשימה התאית עובר לתא מיטוכונדריה. גליקוליזה אינו דורש חמצן, אך לאחר שהפירובט עבר למיטוכונדריה, נדרש חמצן לכל הצעדים הנוספים.

המיטוכונדריה הם מפעלי האנרגיה המאפשרים לחמצן ולפירובט להיכנס דרך הממברנה החיצונית שלהם ואז תן לתוצרי התגובה פחמן דו חמצני ו- ATP לצאת חזרה לתא ולהמשיך למחזור הדם מערכת.

ה מעגל החומצה הציטרית היא סדרה של תגובות כימיות מעגליות המייצרות NADH ו- FADH₂ מולקולות. שני תרכובות אלה נכנסות לשלב הבא של נשימה תאית, ה- שרשרת העברת אלקטרונים, ותרום את האלקטרונים הראשוניים המשמשים בשרשרת. ה- NAD שהתקבל⁺ ותרכובות FAD מוחזרות למחזור חומצת לימון כדי להחליף אותן ל- NADH ו- FADH המקוריות שלהן₂ טפסים וממוחזרים.

כאשר מולקולות פירובט שלוש פחמן נכנסות למיטוכונדריה, הן מאבדות אחת ממולקולות הפחמן שלהן ויוצרות פחמן דו חמצני ותרכובת דו פחמנית. מוצר תגובה זה מחומצן לאחר מכן ומצטרף אליו קואנזים א ליצור שניים אצטיל CoA מולקולות. במהלך מחזור החומצה הציטרית, תרכובות הפחמן קשורות לתרכובת בעלת ארבע פחמן כדי לייצר ציטראט בעל שש פחמן.

בסדרת תגובות, הציטראט משחרר שני אטומי פחמן כפחמן דו חמצני ומייצר 3 NADH, 1 ATP ו- 1 FADH₂ מולקולות. בסוף התהליך, המחזור מהווה מחדש את התרכובת המקורית עם ארבע פחמן ומתחיל מחדש. התגובות מתרחשות בפנים המיטוכונדריה, וב- NADH ו- FADH₂ מולקולות ואז לוקחות חלק בשרשרת הובלת האלקטרונים על הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה.

שרשרת הובלת האלקטרונים מורכבת מארבעה מתחמי חלבון ממוקם על הממברנה הפנימית של המיטוכונדריה. NADH תורם אלקטרונים למתחם החלבונים הראשון ואילו FADH₂ נותן את האלקטרונים שלו למתחם החלבון השני. מתחמי החלבון מעבירים את האלקטרונים בשרשרת ההובלה בסדרה של צמצום-חמצון או חמצון מחדש תגובות.

אנרגיה משוחררת בכל שלב של חמצון מחדש, וכל קומפלקס חלבונים משתמש בה לשאיבה פרוטונים על פני הקרום המיטוכונדריאלי לחלל הבין קרומי בין הממברנות הפנימיות והחיצוניות. האלקטרונים עוברים למתחם החלבון הרביעי והאחרון שבו מולקולות החמצן משמשות כמקבלות האלקטרונים הסופיות. שני אטומי מימן משתלבים עם אטום חמצן ליצירת מולקולות מים.

כאשר ריכוז הפרוטונים מחוץ לקרום הפנימי גדל, an שיפוע אנרגיה נוצר, נוטה למשוך את הפרוטונים בחזרה על פני הקרום לצד שיש לו ריכוז פרוטון נמוך יותר. אנזים קרום פנימי הנקרא ATP סינתזה מציע לפרוטונים מעבר חזרה דרך הממברנה הפנימית.

כאשר הפרוטונים עוברים דרך סינתזה של ה- ATP, האנזים משתמש באנרגיית הפרוטונים כדי לשנות ADP ל- ATP, ואוחסן את אנרגיית הפרוטון משרשרת הובלת האלקטרונים במולקולות ה- ATP.

התהליכים הביולוגיים והכימיים המורכבים המרכיבים את הנשימה ברמה התאית כוללים אנזימים, משאבות פרוטונים וחלבונים האינטראקציה ברמה מולקולרית בדרכים מסובכות מאוד. בעוד שתשומות הגלוקוז והחמצן הן חומרים פשוטים, האנזימים והחלבונים אינם.

סקירה כללית של גליקוליזה, מחזור קרבס או חומצת לימון ושרשרת העברת האלקטרונים עוזרים להדגים כיצד הנשימה התאית עובדת ברמה בסיסית, אך הפעולה בפועל של שלבים אלה מורכבת הרבה יותר.

לתאר את תהליך הנשימה התאית פשוט יותר ברמה הרעיונית. הגוף לוקח חומרים מזינים וחמצן ומפיץ את הגלוקוז במזון ואת החמצן לתאים בודדים לפי הצורך. התאים מחמצנים את מולקולות הגלוקוז כדי לייצר אנרגיה כימית, פחמן דו חמצני ומים.

האנרגיה משמשת להוספת קבוצת פוספט שלישית למולקולת ADP ליצירת ATP, והפחמן הדו חמצני מסולק דרך הריאות. אנרגיית ATP מקשר הפוספט השלישי משמשת להפעלת פונקציות תאים אחרות. כך הנשימה התאית מהווה בסיס לכל פעילויות אנושיות אחרות.