Ląstelinis kvėpavimas žmonėms

Ląstelinio kvėpavimo tikslas yra paversti gliukozę iš maisto į energiją.

Ląstelės skaido gliukozę sudėtingų cheminių reakcijų metu ir sujungia reakcijos produktus su deguonimi, kad kauptų energiją adenozino trifosfatas (ATP) molekulės. ATP molekulės naudojamos ląstelių veiklai skatinti ir veikia kaip universalus gyvųjų organizmų energijos šaltinis.

Ląstelinis kvėpavimas žmonėms prasideda virškinimo ir kvėpavimo sistemose. Maistas virškinamas žarnyne ir virsta gliukoze. Deguonis absorbuojamas plaučiuose ir kaupiamas raudonosiose kraujo ląstelėse. Gliukozė ir deguonis per kraujotakos sistemą iškeliauja į kūną, kad pasiektų ląsteles, kurioms reikia energijos.

Ląstelės energijos gamybai naudoja kraujotakos sistemos gliukozę ir deguonį. Jie tiekia atliekas, anglies dioksidą, atgal į raudonuosius kraujo kūnelius, o anglies dioksidas į plaučius patenka į atmosferą.

Nors virškinimo, kvėpavimo ir kraujotakos sistemos vaidina svarbų vaidmenį žmogaus kvėpavime, kvėpavimas ląstelių lygiu vyksta ląstelių viduje ir

• Glikolizė: Ląstelė skaido gliukozės molekulę ląstelės citozolyje.
  
• Krebso ciklas (arba citrinos rūgšties ciklas): Ciklinių reakcijų serija sukuria elektronų donorus, naudojamus kitame etape ir vyksta mitochondrijose.
• Elektronų perdavimo grandinė: Paskutinė reakcijų serija, naudojanti deguonį ATP molekulėms gaminti, vyksta ant vidinės mitochondrijų membranos.

Vykdant bendrą ląstelių kvėpavimo reakciją, kiekviena gliukozės molekulė gamina 36 arba 38 ATP molekulės, priklausomai nuo langelio tipo. Ląstelių kvėpavimas žmonėms yra nenutrūkstamas procesas ir reikalauja nuolatinio deguonies tiekimo. Trūkstant deguonies, ląstelių kvėpavimo procesas sustoja ties glikolize.

Ląstelių kvėpavimo tikslas yra gaminti ATP molekules per oksidacija gliukozės.

Pavyzdžiui, ląstelių kvėpavimo formulė 36 ATP molekulėms gaminti iš gliukozės molekulės yra C₆H₁₂O₆ + 6O₂ = 6CO₂ + 6H₂O + energija (36ATP molekulės). ATP molekulės kaupia energiją savo trijose fosfatų grupės ryšiai.

Ląstelės pagaminta energija kaupiama trečiosios fosfatų grupės jungtyje, kuri ląstelių kvėpavimo proceso metu pridedama prie ATP molekulių. Kai energijos reikia, trečiasis fosfatų ryšys nutrūksta ir naudojamas ląstelių cheminėms reakcijoms. An adenozino difosfatas (ADP) molekulė su dviem fosfatų grupėmis.

Ląstelinio kvėpavimo metu oksidacijos proceso energija naudojama pakeisti ADP molekulę atgal į ATP, pridedant trečią fosfatų grupę. Tada ATP molekulė vėl yra pasirengusi nutraukti šį trečiąjį ryšį, kad išlaisvintų ląstelės energiją.

Vykdant glikolizę, šešių anglių gliukozės molekulė padalijama į dvi dalis, kad susidarytų dvi piruvatas molekulių reakcijų serijoje. Gliukozės molekulei patekus į ląstelę, jos dvi trys anglies pusės gauna dvi fosfato grupes dviem atskirais etapais.

Pirma, dvi ATP molekulės fosforilatas dvi gliukozės molekulės puses, pridedant fosfatų grupę. Tada fermentai prie kiekvienos iš gliukozės molekulės pusių prideda dar po vieną fosfato grupę, todėl susidaro dvi trijų anglies molekulių pusės, kiekvienoje iš jų yra dvi fosfatų grupės.

Dviejose paskutinėse ir lygiagrečiose reakcijų serijose dvi fosforilintos trijų anglies pusės pradinės gliukozės molekulės pusės praranda fosfato grupes ir sudaro dvi piruvato molekules. Galutinai suskaidžius gliukozės molekulę, išsiskiria energija, kuri naudojama fosfato grupėms pridėti prie ADP molekulių ir suformuoti ATP.

Kiekviena gliukozės molekulės pusė praranda dvi fosfatų grupes ir gamina piruvato molekulę ir dvi ATP molekules.

Glikolizė vyksta ląstelės citozolyje, tačiau likęs ląstelių kvėpavimo procesas pereina į mitochondrijos. Glikolizei deguonies nereikia, tačiau piruvatui persikėlus į mitochondrijas, deguonis reikalingas visiems tolesniems veiksmams atlikti.

Mitochondrijos yra energijos gamyklos, leidžiančios deguoniui ir piruvatui patekti pro išorinę membraną ir tada leiskite reakcijos produktams anglies dioksidui ir ATP išeiti atgal į ląstelę ir į kraujotaką sistema.

The citrinos rūgšties ciklas yra žiedinių cheminių reakcijų serija, generuojanti NADH ir FADH₂ molekulės. Šie du junginiai patenka į tolesnį ląstelių kvėpavimo etapą - elektronų perdavimo grandinėir paaukoti grandinėje naudojamus pradinius elektronus. Gautas NAD⁺ ir FAD junginiai grąžinami į citrinos rūgšties ciklą, kad vėl būtų pakeisti į pradinius NADH ir FADH₂ formos ir perdirbtos.

Kai trijų anglies piruvato molekulės patenka į mitochondrijas, jos praranda vieną iš savo anglies molekulių, kad susidarytų anglies dioksidas ir dviejų anglių junginys. Šis reakcijos produktas vėliau oksiduojamas ir sujungiamas kofermentas A suformuoti du acetilo CoA molekulės. Citrinų rūgšties ciklo metu anglies junginiai susiejami su keturių anglių junginiu, kad gautų šešių anglių citratą.

Reakcijų metu citratas išskiria du anglies atomus kaip anglies dioksidą ir gamina 3 NADH, 1 ATP ir 1 FADH₂ molekulės. Proceso pabaigoje ciklas vėl sudaro pirminį keturių anglies junginių junginį ir prasideda iš naujo. Reakcijos vyksta mitochondrijų interjere, taip pat NADH ir FADH₂ tada molekulės dalyvauja elektronų pernešimo grandinėje ant mitochondrijų vidinės membranos.

Elektronų perdavimo grandinę sudaro keturi baltymų kompleksai esančios ant mitochondrijų vidinės membranos. NADH paaukoja elektronus pirmajam baltymų kompleksui, o FADH₂ atiduoda savo elektronus antrajam baltymų kompleksui. Baltymų kompleksai perduoda elektronus žemyn transporto grandine redukcijos-oksidacijos arba redoksas reakcijos.

Kiekvienoje redokso stadijoje energija išsiskiria, o kiekvienas baltymų kompleksas ją panaudoja pumpuodamas protonai per mitochondrijų membraną į tarpmembraninę erdvę tarp vidinės ir išorinės membranų. Elektronai pereina į ketvirtąjį ir paskutinį baltymų kompleksą, kur deguonies molekulės veikia kaip galutiniai elektronų priėmėjai. Du vandenilio atomai susijungia su deguonies atomu ir sudaro vandens molekules.

Didėjant protonų koncentracijai už vidinės membranos ribų, an energijos gradientas yra linkęs pritraukti protonus atgal per membraną į tą pusę, kurioje yra mažesnė protonų koncentracija. Vidinės membranos fermentas vadinamas ATP sintazė siūlo protonams praeiti atgal per vidinę membraną.

Kai protonai praeina per ATP sintazę, fermentas naudoja protonų energiją, kad ADP pakeistų į ATP, saugodamas elektronų transportavimo grandinės protonų energiją ATP molekulėse.

Kompleksiniai biologiniai ir cheminiai procesai, sudarantys kvėpavimą ląstelių lygmenyje, apima fermentus, protonų siurblius ir baltymus, kurie molekuliniu lygiu sąveikauja labai sudėtingais būdais. Nors gliukozės ir deguonies įvedimas yra paprastos medžiagos, fermentai ir baltymai nėra.

Apžvalga glikolizė, Krebso arba citrinos rūgšties ciklas ir elektronų perdavimo grandinė padeda parodyti, kaip ląstelių kvėpavimas veikia pagrindiniame lygyje, tačiau tikrasis šių etapų veikimas yra daug sudėtingesnis.

Ląstelinio kvėpavimo procesą apibūdinti yra paprasčiau konceptualiu lygmeniu. Kūnas pasisavina maistines medžiagas ir deguonį ir, jei reikia, paskirsto maiste esančią gliukozę ir deguonį atskiroms ląstelėms. Ląstelės oksiduoja gliukozės molekules, kad gautų cheminę energiją, anglies dioksidą ir vandenį.

Energija naudojama trečiai fosfatų grupei pridėti prie ADP molekulės, kad susidarytų ATP, o anglies dioksidas pašalinamas per plaučius. Trečiosios fosfatų jungties ATP energija naudojama kitoms ląstelių funkcijoms valdyti. Taip korinis kvėpavimas sudaro pagrindą visai kitai žmogaus veiklai.